彗星の各種分子の元素同位体比と鉱物の熱履歴から探る原始太陽系円盤の物質輸送

• 研究課題/領域番号: 20K14541
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 京都産業大学
• 研究代表者: 新中 善晴 京都産業大学, 神山天文台, 専任専門員 (60774429)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 彗星 / 原始太陽系円盤 / 揮発性分子 / 酸素禁制線 / ダスト / 偏光 / 太陽系小天体 / 化学反応 / DSMC法 / 元素同位体比 / 鉱物組成比

研究開始時の研究の概要

太陽系始原天体の観測に基づく原始太陽系円盤の理解は、一般の原始惑星系円盤の理解、特に円盤赤道面付近の円盤進化モデルの試金石として重要である。しかしながら、原始太陽系円盤における物質輸送・循環に関する統一的な物理描像は得られておらず、その解明が喫緊の課題である。本研究では、原始太陽系円盤の氷微惑星の生き残りである彗星をプローブとし、円盤の氷雪線外側における物質の輸送・循環に敏感な各種分子の物理量と円盤の氷雪線内側における物質輸送のプローブであるシリケイト鉱物の結晶度を観測的に求めることで、統一的な理解が得られていない原始太陽系円盤内の大局的な物質輸送・循環とその原因を明らかにする。

研究成果の概要

原始太陽系円盤の物質輸送を理解するため、彗星をプローブとして研究を行った。彗星の形成温度は、揮発物質の主成分であるH2O・CO2・COの存在量比から、彗星核の形成距離は鉱物組成から、ダストの性質はコマの偏光度の空間分布からそれぞれ推定した。これらの手法を21P彗星に適用した結果、同彗星は他の彗星と同定の距離にもかかわらず暖かい場所で形成されたことを示した。この手法を他の彗星に適用することで原始太陽系円盤の物質輸送について統計的な議論を進める。また、形成温度の推定のために開発した物理モデルをC/2014 Q2彗星のコマの空間分布に適用し、NH3が二次的に生成されていることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

彗星は46億年前に原始太陽系円盤で作られた氷微惑星の残存物であり、太陽系の化石とも呼ばれる。彗星には高温度生成物と低温度生成物が含まれており、原始太陽系円盤中での大規模な物質輸送の存在が指摘されている。
本研究において、同一彗星の揮発性分子の元素組成比や同位体比と鉱物の熱履歴等を組み合わせることで、従来より詳細に原始惑星系円盤での彗星核の形成環境を推定する手法を確立した。さらに、本研究課題で開発した彗星コマの物理モデルを用いることで、彗星コマ中の化学反応を再現できることを示した。これらの手法は他の彗星や他の分子についても適用可能で、統計的な議論を進めるための基礎情報を提供する。

研究成果

• [国際共同研究] Johns Hopkins University/NASA Goddard Space Flight Center/American University(米国)
• [国際共同研究] Universite de Liege(ベルギー)
• [国際共同研究] University of Bern(スイス)
• [国際共同研究] University of Paris(フランス)
• [国際共同研究] University of Liege(ベルギー)
• [国際共同研究] Seoul National University(韓国)
• [国際共同研究] Auburn University(米国)
• [国際共同研究] University of Edinburgh/NASA Goddard Space Flight Center/Johns Hopkins University(英国)
• [国際共同研究] Observatoire de Paris(フランス)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] UCL Mullard Space Science Laboratory/University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] University of Liege(ベルギー)
• [国際共同研究] University of Colorado Boulder/Michigan University/NASA Goddard Space Flight Center(米国)
• [国際共同研究] European Southern Observatory(チリ)
• [国際共同研究] Seoul National University(韓国)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] University of Liege(ベルギー)
• [国際共同研究] Univ. Bourgogne Franche-Comte(フランス)
• [国際共同研究] UCL Mullard Space Science Laboratory/University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] Homi Bhabha National Institute(インド)
• [国際共同研究] European Southern Observatory(チリ)
• [国際共同研究]
• [雑誌論文] Direct Simulation Monte Carlo Modeling of Ammonia in Comet C/2014 Q2 (Lovejoy) (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawakita Hideyo、Dello Russo Neil、Vervack Ronald J.、DiSanti Michael A.、Bonev Boncho P.、Kobayashi Hitomi、Boice Daniel C.、Shinnaka Yoshiharu
  • 雑誌名: The Astronomical Journal 巻: 166 号: 5 ページ: 207-207
  • DOI: 10.3847/1538-3881/acfee7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Optical Imaging Polarimetry of Comet 21P/Giacobini?Zinner during Its 2018 Apparition (2023)
  • 著者名/発表者名: Shinnaka Yoshiharu、Kawakita Hideyo、Kobayashi Hitomi、Furusho Reiko、Watanabe Jun-ichi
  • 雑誌名: The Planetary Science Journal 巻: 4 号: 7 ページ: 125-125
  • DOI: 10.3847/psj/acdf49
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Return of the Rosetta Target: Keck Near-infrared Observations of Comet 67P/Churyumov?Gerasimenko in 2021 (2023)
  • 著者名/発表者名: Bonev B. P.、Dello Russo N.、Kawakita H.、Vervack Jr. R. J.、DiSanti M. A.、Shinnaka Y.、et al.
  • 雑誌名: The Astronomical Journal 巻: 166 号: 6 ページ: 233-233
  • DOI: 10.3847/1538-3881/acee59
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Activity and composition of the hyperactive comet 46P/Wirtanen during its close approach in 2018 (2023)
  • 著者名/発表者名: Moulane Y.、Jehin E.、Manfroid J.、Hutsemkers D.、Opitom C.、Shinnaka Y.、Bodewits D.、Benkhaldoun Z.、Jabiri A.、Hmiddouch S.、Vander Donckt M.、Pozuelos F. J.、Yang B.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 670 ページ: A159-A159
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202244779
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] (3200) Phaethon polarimetry in the negative branch: new evidence for the anhydrous nature of the <i>DESTINY</i>+ target asteroid (2022)
  • 著者名/発表者名: Geem J.、Shinnaka, Y., et al.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 巻: 516 号: 1 ページ: L53-L57
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slac072
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mid-infrared observations of the nucleus of Comet P/2016 BA14 (PANSTARRS) (2021)
  • 著者名/発表者名: Ootsubo Takafumi、Kawakita Hideyo、Shinnaka Yoshiharu
  • 雑誌名: Icarus 巻: 363 ページ: 114425-114425
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114425
  • 査読あり
• [雑誌論文] The similarity of the interstellar comet 2I/Borisov to Solar System comets from high-resolution optical spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Opitom C.、Jehin E.、Hutsem?kers D.、Shinnaka Y.、Manfroid J.、Rousselot P.、Raghuram S.、Kawakita H.、Fitzsimmons A.、Meech K.、Micheli M.、Snodgrass C.、Yang B.、Hainaut O.
  • 雑誌名: Astronomy &amp; Astrophysics 巻: 650 ページ: L19-L19
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202141245
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of 7Be II in the Classical Nova V5669 Sgr (Nova Sagittarii 2015 No.3) (2021)
  • 著者名/発表者名: Arai Akira、Tajitsu Akito、Kawakita Hideyo、Shinnaka Yoshiharu
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 916 号: 1 ページ: 44-44
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac00bf
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possibility of concentration of nonvolatile species near the surface of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki T.、Shinnaka Y.、Majumdar L.、Shibata T.、Shibaike Y.、Nomura H.、Minamoto H.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 645 ページ: A134-A134
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202038491
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-resolution Optical Spectroscopic Observations of Comet 21P/Giacobini?Zinner in Its 2018 Apparition (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinnaka Yoshiharu, Kawakita Hideyo, Tajitsu Akito
  • 雑誌名: The Astronomical Journal 巻: 159 号: 5 ページ: 203-203
  • DOI: 10.3847/1538-3881/ab7d34
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photometry and high-resolution spectroscopy of comet 21P/Giacobini-Zinner during its 2018 apparition (2020)
  • 著者名/発表者名: Moulane Y., Jehin E., Rousselot P., Manfroid J., Shinnaka Y., Pozuelos F. J., Hutsem?kers D., Opitom C., Yang B., Benkhaldoun Z.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 640 ページ: A54-A54
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202037997
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Comet observations: science background and open questions (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshiharu Shinnaka
  • 学会等名: Planet seminar at NAOJ
• [学会発表] 将来の日本の彗星探査計画 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新中善晴
  • 学会等名: 第51回彗星会議 in 倉敷
• [学会発表] Forbidden atomic oxygen lines far from the Sun for dynamically new comet C/2017 K2 (PanSTARRS) (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Shinnaka, H. Kawakita, H. Kobayashi
  • 学会等名: DPS-EPSC 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding Phosphorus Chemistry in Cometary Comae (2023)
  • 著者名/発表者名: Boice, A. A. de Almeida, H. Kawakita, H. Kobayashi, Y. Shinnaka
  • 学会等名: DPS-EPSC 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Parent Volatiles in Jupiter-Family Comets: Insights and Open Questions from Recent Ground-Based Infrared Studies (2023)
  • 著者名/発表者名: B. P. Bonev, N. Dello Russo, E. L. Gibb, M. A. DiSanti, Y. Khan, N. X. Roth, S. Faggi, A. J. McKay, C. Finley, M. Saki, R. J. Vervack, H. Kawakita, Y. Shinnaka, H. Kobayashi, G. L. Villanueva, T. Ootsubo, C. T. Ejeta
  • 学会等名: Asteroids, Comets, Meteors Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Comet Interceptor搭載水素イメージャによる彗星コマ中の水素の温度およびD/H比の測定可能性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 雄大、吉岡 和夫、村上 豪、桑原 正輝、亀田 真吾、田口 真、吉川 一朗、河北 秀世、新中 善晴
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 国際学会
• [学会発表] ジャコビニ・ツィナー彗星の偏光撮像観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新中善晴
  • 学会等名: 第50回彗星会議
• [学会発表] Time-sensitive Keck/NIRSPEC observations of the Rosetta target 67P/Churyumov-Gerasimenko during its favorable 2021 apparition (2022)
  • 著者名/発表者名: Bonev, B.、Shinnaka, Y., et al.
  • 学会等名: AAS Division of Planetary Science meeting #54
  • 国際学会
• [学会発表] 現存する太陽系小天体 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新中善晴
  • 学会等名: 始原天体ワークショップ2021
  • 招待講演
• [学会発表] Comet observation: science background and open questions (2021)
  • 著者名/発表者名: 新中善晴
  • 学会等名: ISAS惑星探査ワークショップ2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Wavelength depencence of polarization of comet 21P/Giacobini-Zinner (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshiharu Shinnaka
  • 学会等名: 54th Annual Meeting of Division for Planetary Science (DPS 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Imaging polarimetry of comet 21P/Giacobini-Zinner in the 2018 apparition (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshiharu Shinnaka
  • 学会等名: IAUS 360: Astronomical Polarimetry -- New Era of Multi-Wavelength Polarimetry
  • 国際学会
• [学会発表] Relevant Coma Composition Investigations for the Comet Interceptor Mission (2021)
  • 著者名/発表者名: Boice, D. C.; Kobayashi, H.; Kawakita, H.; Shinnaka, Y.
  • 学会等名: American Astronomical Society meeting #237
  • 国際学会
• [学会発表] ESA-JAXA共同Comet Interceptorミッションの計画概要と科学戦略 (2021)
  • 著者名/発表者名: 船瀬龍, 笠原慧, 中島晋太郎, 尾崎直哉, 宇佐美尚人, 吉岡和夫, 坂谷尚哉, 亀田真吾, 松岡彩子, 村田直史, 横田勝一郎, 浅村和史, 齋藤義文, 村上豪, 桑原正輝, 河北秀世, 新中善晴、他
  • 学会等名: 第21回 宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] 21P/Giacobini-Zinner 彗星の形成環境 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshiharu Shinnaka
  • 学会等名: 2020年日本惑星科学会秋季講演会
• [学会発表] Mid-infrared observations of P/2016 BA14 (PANSTARRS) during its close approach to Earth: Thermal emission spectrum of the cometary nucleus (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawakita, H.; Ootsubo, T.; Shinnaka, Y.
  • 学会等名: AAS Division of Planetary Science meeting #52
  • 国際学会
• [学会発表] Comet Interceptor ミッション：WGからISAS所内検討チームに移行 (2020)
  • 著者名/発表者名: 笠原慧, 吉岡和夫, 坂谷尚哉, 亀田真吾, 松岡彩子, 村田直史, 船瀬龍, 中島晋太郎, 尾崎直哉, 宇佐美尚人, 河北秀世, 新中善晴, 杉田精司
  • 学会等名: 2020年日本惑星科学会秋季講演会
• [備考] 彗星コマ中のアンモニア分子はどこから来たか？
  • URL: https://www.kyoto-su.ac.jp/news/20231121_859_comet.html
• [備考] ジャコビニ・ツィナー彗星でダストは崩壊していなかった
  • URL: https://www.kyoto-su.ac.jp/news/20230717_859_comet.html
• [備考] ベールに隠された彗星核の観測に成功
  • URL: https://www.kyoto-su.ac.jp/news/20210406_859_comet.html
• [備考] 史上初めて彗星活動を示した恒星間天体ボリソフ彗星の起源は太陽系と似ていた
  • URL: https://www.kyoto-su.ac.jp/news/20210702_859_comet.html
• [備考] 神山天文台の研究員らがすばる望遠鏡を用いて明らかにした新星爆発によるリチウム生成量の多様性
  • URL: https://www.kyoto-su.ac.jp/news/20210707_859_nova.html
• [備考] オーロラの光で探るジャコビニ・ツィナー彗星誕生の現場
  • URL: https://www.kyoto-su.ac.jp/news/20210406_859_comet.html