レーザー高速圧縮とパルスＸ線瞬間回折による衝突融解現象の時間進展解析

• 研究課題/領域番号: 20K20947
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 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: 京都大学
• 研究代表者: 奥地 拓生 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (40303599)
• 研究分担者: 梅田 悠平 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (90815705)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2020年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 衝突融解現象 / 高強度レーザー / X線自由電子レーザー / カンラン石 / Ｘ線自由電子レーザー

研究開始時の研究の概要

４６億年の昔、原始の太陽をとりまく星雲の中で、無数の小天体が衝突と合体を繰り返すことで惑星や小惑星が成長した。これらの天体の内部では、強圧縮による加熱や、摩擦変形による発熱に起因する岩石の融解が起きていた。その結果、隕石が含むコンドリュールのもとになったマグマのしぶきや、やはり隕石が含む特異な高密度鉱物が作られた。この衝突融解現象を、高強度レーザーとＸ線自由電子レーザーを組合せた実験によって再現することを通して、初期太陽系の進化の歴史を現在に復元する。

研究成果の概要

46億年の昔、原始の太陽をとりまく星雲の中で無数の小天体が衝突と合体を繰り返して惑星、衛星、小惑星が成長した。そこでは強い圧縮と加熱が同時に引き起こされ、融解現象を代表例とする顕著な状態変化が物質に引き起こされた。本研究課題では、この衝突融解の現象を高強度レーザーの応用によって実験室で再現し、その時間進展をX線自由電子レーザーで回折計測することを通して、始原的な隕石などの物質の融解事後の状態を理解することを試みた。実際に、無水ケイ酸塩、含水ケイ酸塩、炭酸塩の構造の時間進展を観察した結果、含水ケイ酸塩と炭酸塩の非晶質化は無水ケイ酸塩よりも容易に進展することがわかった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

無水ケイ酸塩の実験によって、融解が未だ起こらない範囲の圧縮における鉱物内の原子の再配列の現象が、ナノ秒程度のごく短時間で大きく進む場合があることがわかった。これは従来の見解を覆す発見であった。短時間の圧縮は小さな天体の衝突によって起こりえるために頻度は高い。再配列の現象で生成する高密度の鉱物が多数の隕石や小惑星サンプルリターン試料に残されている可能性は高くなった。それらを丁寧に探してゆけば、地球の誕生に至る太陽系の先史の様子を具体的に描くことが可能になるだろう。

研究成果

• [国際共同研究] 四川大学/北京高圧科学研究中心(中国)
• [国際共同研究] スタンフォード大学(米国)
• [国際共同研究] 延世大学校(韓国)
• [国際共同研究] 四川大学/北京高圧科学研究中心(中国)
• [国際共同研究] スタンフォード大学(米国)
• [国際共同研究] 延世大学校(韓国)
• [国際共同研究] 北京高圧科学研究中心/四川大学(中国)
• [国際共同研究] 延世大学校(韓国)
• [国際共同研究] 北京高圧科学研究中心(中国)
• [雑誌論文] Deformation microstructures in shock-compressed single crystal and powdered rutile (2024)
  • 著者名/発表者名: UMEDA Yuhei、NAGAI Yuma、TOMIOKA Naotaka、SEKINE Toshimori、MIYAKAWA Masashi、KOBAYASHI Takamichi、YUSA Hitoshi、OKUCHI Takuo
  • 雑誌名: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences 巻: 119 号: 1 ページ: n/a
  • DOI: 10.2465/jmps.230706
  • ISSN: 1345-6296, 1349-3825
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phase transition and melting in zircon by nanosecond shock loading (2022)
  • 著者名/発表者名: Takagi Sota、Ichiyanagi Kouhei、Kyono Atsushi、Kawai Nobuaki、Nozawa Shunsuke、Ozaki Norimasa、Seto Yusuke、Okuchi Takuo、Nitta Souma、Okada Satoru、Miyanishi Kohei、Sueda Keiichi、Togashi Tadashi、Yabuuchi Toshinori
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 49 号: 5 ページ: 8-8
  • DOI: 10.1007/s00269-022-01184-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast structure transformation of olivine to ringwoodite during laser-driven shock compression (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Research Frontiers 2021 巻: - ページ: 94-95
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] ハイパワーレーザーを使った惑星物質探査実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生、尾崎典雅
  • 雑誌名: Optronics : 光技術コーディネートジャーナル 巻: 41 ページ: 61-66
• [雑誌論文] Ultrafast olivine-ringwoodite transformation during shock compression (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Okuchi, Y. Seto, N. Tomioka, T. Matsuoka, B. Albertazzi, N. J. Hartley, Y. Inubushi, K. Katagiri, R. Kodama, T. A. Pikuz, N. Purevjav, K. Miyanishi, T. Sato, T. Sekine, K. Sueda, K. A. Tanaka, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, T. Yabuuchi, M. Yabashi, N. Ozaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 4305-4305
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24633-4
  • NAID: 120007141957
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 惑星物質の衝撃圧縮その場状態計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: OKUCHI Takuo、OZAKI Norimasa
  • 雑誌名: 高圧力の科学と技術 巻: 31 号: 3 ページ: 166-171
  • DOI: 10.4131/jshpreview.31.166
  • NAID: 130008158986
  • ISSN: 0917-639X, 1348-1940
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 天体衝突を記録する結晶の生成過程の超高速その場計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 雑誌名: SPring8/SACLA利用者情報 巻: 26 ページ: 341-348
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 高強度レーザーを用いた惑星物質の衝撃圧縮実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生, 尾崎典雅
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 49 ページ: 35-39
  • 査読あり
• [雑誌論文] Liquid Structure of Tantalum under Internal Negative Pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, S. Ohmura, B. Albertazzi, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Ishida, M. Koenig, K. Miyanishi, H. Nakamura, M. Nishikino, T. Okuchi, T. Sato, Y. Seto, K.Shigemori, K. Sueda, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 号: 17 ページ: 175503-175503
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.175503
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Time-resolved structure analysis of shock compressed GeO2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Araga
  • 学会等名: SACLA Users' Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] Structure transformation of silicate minerals during hypervelocity collisions of planetary bodies (2023)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi, Naotaka Tomioka
  • 学会等名: 11th International Workshop on Warm Dense Matter
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast solid-state phase transformation of silicate minerals during shock compression (2023)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi, Naotaka Tomioka
  • 学会等名: 23rd Biennial Conference of the APS Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ルチルの衝撃変形微細組織 (2023)
  • 著者名/発表者名: 梅田悠平、永井優馬、富岡尚敬、関根利守、宮川仁、小林敬道、遊佐斉、奥地拓生
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2023年年会
• [学会発表] 二酸化ゲルマニウムの衝撃圧縮による構造変化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒賀大翔、梅田悠平、小林敬道、遊佐斉、瀬戸雄介、奥地拓生
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2023年年会
• [学会発表] レーザー衝撃圧縮法による炭酸塩鉱物の天体衝突再現実験 (2023)
  • 著者名/発表者名: 梅田悠平
  • 学会等名: レーザー学会第43回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 銅のフェムト秒レーザ駆動衝撃変形 (2023)
  • 著者名/発表者名: 江頭尚弥、松田朋己、奥地拓生、瀬戸雄介、伊藤佑介、菖蒲敬久、中新信彦、犬伏雄一、富樫格、宮西宏併、佐野智一
  • 学会等名: レーザー学会第43回年次大会
• [学会発表] 超高速時間分解X線プローブによる鉱物の衝撃圧縮状態研究の現在と今後 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Laser-driven shock experiments of planetary silicate minerals for finding evolution history of the solar system (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi, Naotaka Tomioka
  • 学会等名: 2022 IUCr High-Pressure Workshop "Advanced High-Pressure Crystallography"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 衝撃圧縮による二酸化チタンの構造相転移 (2022)
  • 著者名/発表者名: 永井優馬, 梅田悠平, 小林敬道, 遊佐斉, 富岡尚敬, 奥地拓生
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] 高強度レーザー誘起超高圧の XFEL 超解像ラジオグラフ観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 尾崎典雅、PIKUZ Tatiana、政岡豪流、片桐健登、中村浩隆、 弘中陽一郎、兒玉了祐、奥地拓生、宮西宏併 、末田敬一、籔内俊毅、矢橋牧名、ALBERTAZZI Bruno、KOENIG Michel
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] 衝撃圧縮過程におけるクォーツのXFELラジオグラフ観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 政岡豪流、PIKUZ Tatiana、片桐健登、兒玉了祐、奥地拓生、ALBERTAZZI Bruno 、KOENIG Michel 、宮西宏併、末田敬一、籔内俊毅、矢橋牧名、尾崎典雅
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] Phase transition and melting in zircon by nanosecond shock loading (2022)
  • 著者名/発表者名: Sota Takagi
  • 学会等名: HEDS2022, Co-located with Optics & Photonics International Congress 2022
  • 国際学会
• [学会発表] High-pressure minerals in planetary materials: Witnesses of asteroid impact events (2022)
  • 著者名/発表者名: Naotaka Tomioka, Masaaki Miyahara, Luca Bindi, Takuo Okuchi
  • 学会等名: 23rd International Mineralogical Association General Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser-Driven Shock Experiments of Planetary Materials for Finding Evolution History of Early Solar System (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 学会等名: Internaitonal Conference on High Energy Density Sciences 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Calcite at extreme conditions with implications for hypervelocity planetary impacts (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuhei Umeda
  • 学会等名: Internaitonal Conference on High Energy Density Sciences 2022
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー衝撃圧縮法で再現する高速天体衝突極限環境における含水鉱物の高圧物性計測と時間分解構造観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梅田悠平、 奥地拓生、関根利守 、佐野孝好、犬伏雄一、片桐健登、兒玉了祐、宮西宏併、瀬戸雄介、清水健二、篠田圭司、末田敬一、富樫格、冨岡尚敬、藪内俊毅、尾崎典雅
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] パワーレーザー/XFEL利用によるフォルステライトの高速相転移と高速融解 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生、富岡尚敬、尾崎典雅、瀬戸雄介、兒玉了祐、宮西宏併、関根利守、梅田悠平、薮内俊毅
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] 衝撃圧縮による惑星物質の高密度原子配列の生成過程 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 学会等名: SPring-8シンポジウム2021
• [学会発表] Planetology using high-power laser and X-ray free electron laser (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 学会等名: 4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laboratory exploration of planetary materials using high power lasers (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2020
  • 招待講演
• [学会発表] 水素を含む地球惑星内部物質の構造と拡散の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2020年度年会
  • 招待講演