大型レーザーを用いた重力不安定性の実験的研究：初期地球分化への応用

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26610141
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 寺崎 英紀 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (50374898)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 中心核 / 鉄合金 / 初期地球 / 核形成 / 衝撃圧縮 / 液体 / レーザー

Outline of Annual Research Achievements

地球型惑星の中心核形成過程において、固体マントルと鉄合金融体との分離様式が形成過程に大きく影響する。固体マントル上に溜まった鉄合金が重力不安定により入れ替わる過程が理論的に支持されてきたが、これには実験的な検証が必要とされてきた。本研究では、大型レーザーを使って試料加速で重力を付加し、重力不安定による鉄合金試料の表面擾乱変化の観察を目的とし、擾乱成長速度から核形成タイムスケールに対する指標を得ることを目標とする。地球型惑星の核は鉄に加え軽元素を10％ほど含んでいる。このような軽元素は鉄の重力不安定性の成長率にも大きく影響する可能性がある。そこで27年度は、核中の有力軽元素のSiに注目し、Fe-Si合金の重力不安定性の観察を行った。本結果と昨年度の鉄の結果とを比較することで、擾乱成長率に対する軽元素の効果を明らかにできる。
実験手法：大型レーザー（激光XII号レーザ－）を使って試料加速により鉄箔試料に重力を付加し、重力不安定による鉄試料の表面擾乱変化の観察を行った。26年度に最適化した測定セットアップを用い、ドライブレーザー照射方向の対向にＸ線ストリークカメラを設置し、付加される重力方向と同じ向きから透過Ｘ線による測定を行った。透過X線強度変化から擾乱振幅の時間変化を求めた。試料にはFe-Si(Si=0-20 wt%)及び表面にForsterite蒸着を施した試料を用いた。
結果：本課題で初期擾乱の波長・振幅の最適化により、擾乱に対応する明瞭な縞状のコントラストを確認できた。その結果、全ての組成において擾乱振幅が時間と共に成長していることがわかった。またSiを含む試料は、Fe試料に比べて擾乱振幅の時間変化の傾きが大きいことが明らかとなり、Siの効果が無視できないことが明らかとなった。以上の結果は、核形成タイムスケールを制約する上で極めて重要である。

Research Products

• [Journal Article] Sound velocity and elastic properties of Fe-Ni and Fe-Ni-C liquids at high pressure (2016)
  • Author(s): Kuwabara, S., H. Terasaki, K. Nishida, Y. Shimoyama, Y. Takubo, Y. Higo, Y. Shibazaki, S. Urakawa, K. Uesugi, A. Takeuchi, T. Kondo
  • Journal Title: Physics and Chemistry of Minerals Volume: 43 Pages: 229,236
  • DOI: 10.1007/s00269-015-0789-y
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Compressional and shear wave velocities for polycrystalline bcc-Fe up to 6.3 GPa and 800 K (2016)
  • Author(s): Shibazaki, Y., K. Nishida, Y. Higo, M. Igarashi, M. Tahara, T. Sakamaki, H. Terasaki, Y. Shimoyama, S. Kuwabara, Y. Takubo, E. Ohtani
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Density and Thermoelastic Properties of Liquid Fe-FeO at High Pressure (2016)
  • Author(s): Takubo Y., H. Terasaki, Y. Shimoyama, S. Kuwabara, S. Urakawa, T. Kondo, A. Suzuki, K. Nishida, E. Ohtani, T. Watanuki, Y. Katayama
  • Journal Title: SPring-8 Section A: Scientific Research Report Volume: 4 Pages: 53,57
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mitigation of Laser Imprinting with Diamond Ablator for Direct-Drive Inertial Confinement Fusion Targets (2016)
  • Author(s): K. Shigemori, H. Kato, M. Nakai, R. Hosogi, T. Sakaiya, H. Terasaki, S. Fujioka, A. Sunahara, H. Azechi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 688 Pages: 012107
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012107
  • Peer Reviewed
• [Presentation] The effects of pressure and alloying Ni and C on sound velocity of liquid Fe-alloys (2015)
  • Author(s): Hidenori Terasaki, Soma Kuwabara, Keisuke Nishida, Yuta Shimoyama, Yusaku Takubo, Yuji Higo, Yuki Shibazaki, Satoru Urakawa, Tadashi Kondo
  • Organizer: American Geophysical Union 2015 Fall meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2015-12-14 – 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal elastic properties of liquid Fe-C at high pressure (2015)
  • Author(s): Yuta Shimoyama, Hidenori Terasaki, Satoru Urakawa, Yusaka Takubo, Tetsu Watanuki, Yoshinori Katayama, Tadashi Kondo
  • Organizer: American Geophysical Union 2015 Fall meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2015-12-14 – 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fe-NiおよびFe-Ni-C融体の音速の圧力依存性 (2015)
  • Author(s): 寺崎 英紀,桑原 荘馬,下山 裕太,西田 圭佑,肥後 祐司,田窪 勇作,柴崎 裕樹,浦川 啓,近藤 忠
  • Organizer: 日本高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] Ｘ線マイクロＣＴを用いた高圧下の液体物性測定 (2015)
  • Author(s): 浦川 啓,寺崎英紀,桑原荘馬,田窪勇作,下山裕太,岸本俊八
  • Organizer: 日本高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] Melting relationships of the Fe-light element systems under high pressures (2015)
  • Author(s): Seiji Kamada, Takanori Sakairi, Akihiro Takahata, Kota Kobayashi, Hiroto Takada, Suguru Takahashi, Hidenori Terasaki, Eiji Ohtani, Naohisa Hirao, Yasuo Ohishi
  • Organizer: 日本高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] 外熱式DACを用いたX線イメージング吸収法によるInの密度測定 (2015)
  • Author(s): 田窪勇作，寺崎英紀, 近藤忠，三田井慎吾，亀卦川卓美
  • Organizer: 日本高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] Fe-C系融体の密度-音速 同時測定による熱弾性的性質 の解明 (2015)
  • Author(s): 下山裕太,寺崎英紀,浦川啓,田窪勇作,岸本俊八,近藤忠,綿貫徹,片山芳則
  • Organizer: 日本高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] 高温高圧下におけるFe-S-O-H系の反応関係 (2015)
  • Author(s): 三田井慎吾，近藤忠，田窪勇作，寺崎英紀, 山下智也，亀卦川卓美
  • Organizer: 日本高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] 超音波法を用いた高温高圧下での固体鉄の弾性波速度・密度測定 (2015)
  • Author(s): 柴崎 裕樹, 西田 圭佑, 肥後 祐司, 五十嵐 愛子, 田原 政紀, 坂巻 竜也, 寺崎 英紀, 下山 裕太, 田窪 勇作, 桑原 荘馬, 大谷 栄治
  • Organizer: 日本高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] Development of sound velocity and density measurement for liquid Fe-alloys using multi-anvil apparatus up to 11 GPa (2015)
  • Author(s): Hidenori Terasaki,Yuta Shimoyama, Yusaku Takubo, Soma Kuwabara, Keisuke Nishida, Yuji Higo, Satoru Urakawa, Shunpachi Kishimoto,Yuki Shibazaki, Tatsuya Sakamaki, Masaki Tahara, Mako Igarashi, Tetsu Watanuki, Akihiko Machida, Yoshinori Tange, Yoshinori Katayama, Tadashi Kondo
  • Organizer: Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53 (International conference on High pressure science and technology)
  • Place of Presentation: Madrid, Spain
  • Year and Date: 2015-08-30 – 2015-09-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Density measurement of indium using X-ray imaging absorption combined with external heated diamond anvil cell (2015)
  • Author(s): Yusaku Takubo, Hidenori Terasaki, Tadashi Kondo, Shingo Mitai, Takumi Kikegawa
  • Organizer: Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53 (International conference on High pressure science and technology)
  • Place of Presentation: Madrid, Spain
  • Year and Date: 2015-08-30 – 2015-09-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Density and sound velocity of liquid Fe-alloys under high pressure: Implication for Mercury core (2015)
  • Author(s): Hidenori Terasaki, Yuta Shimoyama, Soma Kuwabara, Yusaku Takubo, Satoru Urakawa, Shun-pachi Kishimoto, Tetsu Watanuki, Akihiko Machida, Yoshinori Katayama, Tadashi Kondo, Sho Sasaki
  • Organizer: Messenger-BepiColombo Joint Science Meeting
  • Place of Presentation: Berlin, Germany
  • Year and Date: 2015-06-16 – 2015-06-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of Ni and C on sound velocity of liquid Fe at high pressure (2015)
  • Author(s): Kuwabara Soma, Terasaki Hidenori, Shimoyama Yuta, Nishida Keisuke, Higo Yuji, Takubo Yusaku, Shibazaki Yuki, Tahara Masaki, Igarashi Mako, Sakamaki Tatsuya, Tange Yoshinori, Kondo Tadashi
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2015年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
• [Presentation] 地球核条件下にレーザー衝撃圧縮されたFe-Si合金の音速 (2015)
  • Author(s): 境家 達弘, 細木 亮太, 近藤 忠, 寺崎 英紀, 重森 啓介, 弘中 陽一郎
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2015年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
• [Presentation] Sound velocity measurements of solid iron under high pressure and high temperature using an ultrasonic method (2015)
  • Author(s): 柴崎 裕樹, 西田 圭佑, 肥後 祐司, 五十嵐 愛子, 田原 政紀, 坂巻 竜也, 寺崎 英紀, 下山 裕太, 桑原 荘馬, 田窪 勇作, 大谷 栄治
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2015年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
• [Book] Deep Earth: Physics and Chemistry of the Lower Mantle and Core (2016)
  • Author(s): Terasaki, H., R.A. Fischer
  • Total Pages: 312
  • Publisher: American Geophysical Union / Wiley