衝突破壊の超高速X線トモグラフィーによる小惑星族の多様性に関する研究

• 研究課題/領域番号: 19H00719
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 荒川 政彦 神戸大学, 理学研究科, 教授 (10222738)
• 研究分担者: 保井 みなみ 神戸大学, 理学研究科, 講師 (30583843) ; 白井 慶 神戸大学, 理学研究科, 特命技術員 (90870519) ; 長谷川 直 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 主任研究開発員 (10399553) ; 小川 和律 神戸大学, 理学研究科, 技術専門職員 (40509824)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 46,410千円 (直接経費: 35,700千円、間接経費: 10,710千円); 2021年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2020年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2019年度: 25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円)
• キーワード: 衝突破壊強度 / 小惑星 / 微惑星 / 熱進化天体 / フラッシュX線 / 再集積 / ラブルパイル天体 / デジタル画像相関法 / 小惑星族 / カタストロフィック破壊 / 衝突実験 / 熱進化 / 小惑星母天体 / 衝突破壊・再集積 / 層構造天体 / カタストロフック破壊 / 母天体 / 衝突破壊 / トモグラフィー

研究開始時の研究の概要

微惑星内部の熱進化過程は、小惑星族の研究から再構築が可能である。本研究では、衝突破壊時に作られる破片の由来を調べるために、新しい実験解析手法を開発する。それは、4台のフラッシュX線を用いた超高速X線トモグラフィーである。この手法を熱進化した微惑星の模擬試料を使った高速度衝突実験に応用する。そして、衝突破片の3次元形状とその飛翔速度をX線トモグラフィーにより決定する。この衝突実験の結果を初期条件として衝突破片の重力再集積の数値計算を行って小惑星族を再現する。その結果、小惑星族を構成する個々の小惑星に集積した破片の由来を特定し、微惑星内部の熱進化過程を再構築する。

研究成果の概要

フラッシュX線による撮影画像と高速カメラによる取得画像のデジタル画像相関法による解析により、衝突破壊時の破片の質量-速度分布の計測を行った。衝突実験は、微惑星の様々な熱進化段階を模擬した標的を用いて行った。数値シミュレーションとの比較から、重力支配域の衝突破壊強度Q_D*が、室内実験で得られた中間速度v*とエネルギー密度Qの関係を用いることで半理論的に推定できることが明らかになった。そして、Q_D*は、空隙率や内部構造には敏感であるが引っ張り強度には鈍感であることが分かった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の学術的意義は、熱進化する微惑星の衝突破壊強度を実験と数値シミュレーションにより明らかにし、小惑星の多様性を解明するための基礎を築いた点にある。
微惑星は熱進化と伴に重力支配域の衝突破壊強度が小さくなるので、初期成長時には、その成長が阻害される。一方、一端成長して二層構造になると衝突寿命が長くなり、熱進化を継続できることが分かった。これが分化した小惑星（M型やV型など）の破片と思われる小惑星の比率が、始原的小惑星（S型やC型）よりもかなり小さい理由なのかもしれない。

研究成果

• [国際共同研究] ベルン大学(スイス)
• [国際共同研究] ベルン大学(スイス)
• [雑誌論文] Dispersion and shattering strength of rocky and frozen planetesimals studied by laboratory experiments and numerical simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: Arakawa Masahiko、Okazaki Masashi、Nakamura Masato、Jutzi Martin、Yasui Minami、Hasegawa Sunao
  • 雑誌名: Icarus 巻: 373 ページ: 114777-114777
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114777
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Appearance of a “Fresh” Surface on 596 Scheila as a Consequence of the 2010 Impact Event (2022)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Sunao、Marsset Michael、DeMeo Francesca E.、Bus Schelte J.、Ishiguro Masateru、Kuroda Daisuke、Binzel Richard P.、Hanus Josef、Nakamura Akiko M.、Yang Bin、Vernazza Pierre
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 924 号: 1 ページ: L9-L9
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac415a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impacts may provide heat for aqueous alteration and organic solid formation on asteroid parent bodies (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasui Minami、Tazawa Taku、Hashimoto Ryohei、Arakawa Masahiko、Ogawa Kazunori
  • 雑誌名: Communications Earth & Environment 巻: 2 号: 1 ページ: 95-95
  • DOI: 10.1038/s43247-021-00159-x
  • NAID: 120007097083
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Resurfacing processes on asteroid (162173) Ryugu caused by an artificial impact of Hayabusa2's Small Carry-on Impactor (2021)
  • 著者名/発表者名: Honda Rie、Arakawa Masahiko、Shimaki Yuri、Shirai Kei、Yokota Yasuhiro、Kadono Toshihiko、Wada Koji、et al.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 366 ページ: 114530-114530
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114530
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tensile strength and elastic properties of fine-grained ice aggregates: Implications for crater formation on small icy bodies (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimaki Yuri、Arakawa Masahiko
  • 雑誌名: Icarus 巻: 369 ページ: 114646-114646
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114646
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental study concerning the oblique impact of low- and high-density projectiles on sedimentary rocks (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Ayako I.、Fujita Yoichi、Harada Shunya、Kiuchi Masato、Koumoto Yasunari、Matsumoto Eri、Omura Tomomi、Shigaki Sae、Taguchi Erine、Tsujido Sayaka、Kurosawa Kosuke、Hasegawa Sunao、Hirai Takayuki、Tabata Makoto、Tamura Hideki、Kadono Toshihiko、Nakamura Akiko M.、Arakawa Masahiko、Sugita Seiji、Ishibashi Ko
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 195 ページ: 105141-105141
  • DOI: 10.1016/j.pss.2020.105141
  • 査読あり
• [雑誌論文] Size of particles ejected from an artificial impact crater on asteroid 162173 Ryugu (2021)
  • 著者名/発表者名: Wada K.、Ishibashi K.、Kimura H.、Arakawa M.、Sawada H.、Ogawa K.、Shirai K.、Honda R.、Iijima Y.、Kadono T.、Sakatani N.、Mimasu Y.、Toda T.、Shimaki Y.、Nakazawa S.、Hayakawa H.、Saiki T.、Takagi Y.、Imamura H.、Okamoto C.、Hayakawa M.、Hirata N.、Yano H.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 647 ページ: A43-A43
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202039777
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of Two TNO-like Bodies in the Asteroid Belt (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Sunao、Marsset Michael、DeMeo Francesca E.、Bus Schelte J.、Geem Jooyeon、Ishiguro Masateru、Im Myungshin、Kuroda Daisuke、Vernazza Pierre
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 916 号: 1 ページ: L6-L6
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac0f05
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An artificial impact on the asteroid 162173 Ryugu formed a crater in the gravity-dominated regime (2020)
  • 著者名/発表者名: Arakawa, M., Saiki, T., Wada, K., Ogawa, K., Kadono, T., Shirai, K., Sawada, H., Ishibashi, K., Honda, R., Sakatani, N., Iijima, Y., Okamoto, C., Yano, H., Takagi, Y., Hayakawa, M., Michel, P., Jutzi, M., Shimaki, Y., Kimura, S., Mimasu, Y., Toda, T., Imamura, H., Nakazawa, S., Hayakawa, H., Sugita, S., et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 368 号: 6486 ページ: 67-71
  • DOI: 10.1126/science.aaz1701
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact Experiment on Asteroid (162173) Ryugu: Structure beneath the Impact Point Revealed by In Situ Observations of the Ejecta Curtain (2020)
  • 著者名/発表者名: Kadono Toshihiko、Arakawa Masahiko、Honda Rie、Ishibashi Ko、Ogawa Kazunori、Sakatani Naoya、Sawada Hirotaka、Shimaki Yuri、Shirai Kei、Sugita Seiji、Wada Koji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 899 号: 1 ページ: L22-L22
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aba949
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurements of seismic waves induced by high-velocity impacts: Implications for seismic shaking surrounding impact craters on asteroids (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsue Kazuma、Yasui Minami、Arakawa Masahiko、Hasegawa Sunao
  • 雑誌名: Icarus 巻: 338 ページ: 113520-113520
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2019.113520
  • NAID: 120006818762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of oblique impacts on the impact strength of porous gypsum and glass spheres: Implications for the collisional disruption of planetesimals in thermal evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasui Minami、Arakawa Masahiko、Yoshida Yusaku、Matsue Kazuma、Takano Shota
  • 雑誌名: Icarus 巻: 335 ページ: 113414-113414
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2019.113414
  • NAID: 120006818761
  • 査読あり
• [雑誌論文] Q-type asteroids: Possibility of non-fresh weathered surfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, S., Hiroi, T., Ohtsuka, K., Ishiguro, M., Kuroda, D., Ito, T., Sasaki, S.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 71 号: 5 ページ: 103-103
  • DOI: 10.1093/pasj/psz088
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Post Shock Heat Induced by High Velocity Impact on Porous Icy Bodies (2022)
  • 著者名/発表者名: Sasai, H., Yasui, M., Arakawa, M., Shirai, K.
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Impact Strength of Porous- and Ductile-Rocky Planetesimals in Gravity Dominated Regime (2022)
  • 著者名/発表者名: Arakawa, M., Nagano, T., Ishida, S., Yasui, M., Shirai, K., Hasegawa, S.
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] High-Velocity Impact Experiments of Simulated Porous Asteroids and Measurements of Post Impact Temperature around Impact Crater (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasui, M., Tazawa, T., Hashimoto, R., Arakawa, M., Ogawa, K.
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Constraining Asteroid Ryugu’s Surface Properties from Numerical Simulations of the SCI Impact (2022)
  • 著者名/発表者名: Jutzi, M., Raducan, S. D., Zhang, Y., Michel, P., Arakawa, M.
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 氷微惑星上の高速衝突により発生する衝突残留熱の定量的評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笹井遥，荒川政彦，保井みなみ，白井慶
  • 学会等名: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [学会発表] フラッシュ X 線による衝突破片の速度―質量分布の計測: 粘土を用いた延性標的の衝突破壊実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 長野巧，荒川政彦，保井みなみ，石田紗那，長谷川直
  • 学会等名: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [学会発表] 層構造含水微惑星の模擬物質への衝突実験：デジタル画像相関法による標的内部の粒子速度分布の計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田紗那，荒川政彦，保井みなみ，白井慶，長谷川直，長野巧，堀川和洋
  • 学会等名: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [学会発表] 熱進化した氷微惑星の斜め衝突に関する実験的研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村誠人，保井みなみ，荒川政彦
  • 学会等名: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [学会発表] 彗星核を模擬した多孔質氷に対する高速度衝突実験：衝突残留熱へのエネルギー分配率 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笹井遥，保井みなみ，荒川政彦，白井慶
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] 小惑星衝突時の運動量輸送に関する実験的研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 堀川和洋，荒川政彦，保井みなみ，白井慶，長谷川直
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] 層構造試料を用いた衝突破壊実験：デジタル画像相関法による衝突破片速度分布の計測法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田紗那，荒川政彦，保井みなみ，白井慶，堀川和洋
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] 低空隙多孔質氷標的を用いた高速度衝突実験：運動量輸送およびクレーター形成過程に関する実験的研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 江口裕樹，荒川政彦，保井みなみ，笹井遥
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] Artificial impact crater on Ryugu formed in the gravity dominated regime (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Arakawa, K. Wada, K. Ogawa, T. Kadono, K. Shirai, K. Ishibashi, R. Honda, N. Sakatani, Y. Shimaki
  • 学会等名: 7th IAA Planetary Defense Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Impact cratering experiments on granular targets simulating surface layer on asteroid 162173 Ryugu: Crater scaling law and impact induced seismic shaking (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasui, M., Arakawa, M., Okawa, H., Hasegawa, S.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Three-dimensional tracking of various sized glass beads ejected from impact crater (2021)
  • 著者名/発表者名: Okawa, H., Arakawa, M., Yasui, M., Hasegawa, S., Yokota, Y., Yamamoto, Y
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Crater size scaling law and impact-induced seismic shaking on rubble-pile asteroids (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, Y., Arakawa, M., Yasui, M., Hasegawa, S., Yokota, Y., Okawa, H., Sugimura, R.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] High velocity impact experiments on porous ice aggregates simulating cometary nuclei surface: Measurements of post shock temperature around impact crater (2021)
  • 著者名/発表者名: Sasai, H., Yasui, M., Arakawa, M., Shirai, K.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental study on impact craters formed on mountain-like surface topography of asteroids (2021)
  • 著者名/発表者名: Yokota, Y., Arakawa, M., Yasui, M., Yamamoto, Y., Okawa, H., Hasegawa, S.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] A hybrid SPH-SSDEM framework for end-to-end impact cratering modeling (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang, Y., Jutzi, M., Michel, P., Raducan, S. D., Arakawa, M.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Resurfacing processes on asteroid (162173) Ryugu caused by an artificial impact of Hayabusa2’s Small Carry-on Impactor (2020)
  • 著者名/発表者名: Arakawa, M., Honda, R., Yokota, Y., Shimaki, Y., Shirai, K., Kadono, T., Wada, K., Ogawa, K., Ishibashi, K., Sakatani, N., Yasui, M., Morota, T., Kameda, S., Tatsumi, E., Yamada, M., Kouyama, T., Cho, Y., Matsuoka, M., Suzuki, H., Honda, C., Hayakawa, M., Yoshioka, K., Sawada, H., Sugita, S., Hirata, N., Hirata, N.
  • 学会等名: 52nd Meeting of the AAS Division for Planetary Sciences
  • 国際学会
• [学会発表] Artificial impact crater formed by Small Carry-on Impactor on the asteroid 162173 Ryugu in the gravity-dominated regime (2020)
  • 著者名/発表者名: Arakawa M. et al. 他33名
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フラッシュX線による衝突破片の速度ー質量分布の計測：粘土を用いた延性標的の衝突破壊実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長野巧，荒川政彦，保井みなみ，堀川和洋
  • 学会等名: 日本惑星科学会2020年度秋季講演会（会津）
• [学会発表] 低強度標的を用いた衝突破壊実験:引張強度と衝突破壊強度の関係 (2020)
  • 著者名/発表者名: 堀川和洋，荒川政彦，保井みなみ，杉村瞭
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 弱い強度を持つ表面への衝突クレーター形成実験とクレータースケール則の構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉村瞭，荒川政彦，保井みなみ，千秋博紀，長谷川直
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 氷微惑星の衝突破壊強度に対する斜め衝突の効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中村誠人，保井みなみ，荒川政彦
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 多孔質氷上のクレーター形成に伴う衝突残留温度の計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 笹井遥，保井みなみ，荒川政彦，中村誠人
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 多孔質氷天体を模擬したクレーター形成実験：衝突残留熱の計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 笹井遥，荒川政彦，保井みなみ，白井慶
  • 学会等名: 日本惑星科学会2020年度秋季講演会（会津）
• [学会発表] 衝突残留熱と小惑星母天体の熱変成過程に関する実験的研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 保井みなみ，田澤拓，橋本涼平，荒川政彦，小川和律
  • 学会等名: 日本惑星科学会2020年度秋季講演会（会津）
• [学会発表] Experimental study on collision destruction simulating the primitive meteorite parent body (2019)
  • 著者名/発表者名: 堀川 和洋, 荒川 政彦, 保井 みなみ, 杉村 瞭
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Experimental study on impact crater formed on bulge (2019)
  • 著者名/発表者名: Yusaku Yokota, Yuya Yamamoto, Minami Yasui, Masahiko Arakawa, Haruka Sasai
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Impact cratering experiments on glass beads with bead size freuency distribution: Implications for cratering process on asteroid Ryugu (2019)
  • 著者名/発表者名: Minami Yasui, Masahiko Arakawa, Sunao Hasegawa, Yuya Yamamoto, Ryo Sugimura
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Impact experiment on asteroid Ryugu by Small-Carry on impactor of Hayabusa-2 and observation of the impact ejecta by a Deployable CAMera-3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Arakaw et al.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Impact experiments on low strength coarse-grained regolith simulating surface materials on asteroid Ryugu (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuya Yamamoto, Masahiko Arakawa, Minami Yasui, Sunao Hasegawa, Ryo Sugimura
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of catastrophic destruction of two different targets using X Ray photography (2019)
  • 著者名/発表者名: 長野 巧, 荒川 政彦, 保井 みなみ, 中村 誠人, 長友 文哉
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] 小惑星表面を模擬した砂・石膏標的を用いた高速度クレーター形成実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 杉村 瞭, 荒川 政彦, 保井 みなみ, 石黒 琢也
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] First result of Hayabusa2 impact experiment on Ryugu (2019)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Arakawa, The Hayabusa2 SCI/DCAM3 and ONC team
  • 学会等名: EPSC-DPS Joint Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Impact experiments on granular targets with size frequency distribution similar to asteroid 162173 Ryugu (2019)
  • 著者名/発表者名: Minami Yasui, Yuya Yamamoto, Masahiko Arakawa, Sunao Hasegawa, Ryo Sugimura, Yusaku Yokota
  • 学会等名: EPSC-DPS Joint Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ observation of catastrophic disruption of asteroid analogues using flash X-ray photography (2019)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Arakawa, Minami Yasui, Masashi Okazaki, Masato Nakamura, Sunao Hasegawa
  • 学会等名: EPSC-DPS Joint Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] フラッシュX線を用いた衝突破壊現象の観測：多孔質標的の破片速度分布に対する空隙の効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中村 誠人, 荒川 政彦, 保井 みなみ, 長谷川 直
  • 学会等名: 日本惑星科学会2019年秋季大会
• [学会発表] Artificial impact crater formed by Hayabusa2 small carry-on impactor on the surface of asteroid Ryugu (2019)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Arakaw et al.
  • 学会等名: American Geophysical Union(AGU) Fall Meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] はやぶさ2 SCIによる小惑星リュウグウ上での衝突実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 荒川政彦 他
  • 学会等名: 日本惑星科学会2019年秋季大会
  • 招待講演