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固体微粒子凝縮・結晶化理論の微惑星衝撃波による物質進化への応用

公募研究

研究領域宇宙における分子進化:星間雲から原始惑星系へ
研究課題/領域番号 16H00927
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関北海道大学

研究代表者

田中 今日子  北海道大学, 低温科学研究所, 学術研究員 (70377993)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2017年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2016年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワード微惑星 / 衝撃波 / 結晶化 / ダスト / 固体微粒子 / 核生成 / 木星形成 / 分子動力学計算 / 惑星物質 / 熱進化 / 惑星起源・進化
研究実績の概要

微惑星衝撃波は小惑星帯など巨大惑星軌道の内外で恒常的に発生し、惑星材料物質であるダストや微惑星に対し加熱、熱変性、蒸発、再凝縮、結晶化等を引き起こす。大規模並列計算用の分子動力学(MD)計算コード(LAMMPS)を用いて、気相から液相あるいは非晶質相へ凝縮した粒子がのちに結晶化する様子を再現した。MD計算により非晶質相から結晶相への相変化を詳細に調べ、結晶核発生時間(核生成率)や結晶核成長率を求めた。本研究の結果は気相から固相への相転移は、すぐに安定相の固相に転移するのではなく、まず気相から過冷却液滴が生成し、その後準安定相への結晶化などを経てから安定相になる多段階核生成であることを示した. これらの結果および理論的な考察により、どのような冷却環境で凝縮したダストがアモルファス化するのか、または結晶化するのかについて条件を求めた。また連携研究者と共に、系外惑星を想定し、ガス惑星形成後の微惑星の軌道進化計算を行い、それに伴う物質進化について検討した。系外惑星やさまざまな原始惑星系円盤を想定し、ガス惑星の質量と軌道、および円盤ガスと微惑星の質量や初期位置などをパラメータとしてさまざまな軌道を計算した。その結果、ガス惑星と円盤ガスとの重力相互作用により微惑星の軌道長半径はおよそ百万年程度で小さくなる一方、離心率はガス惑星の軌道長半径のおよそ半分程度付近で最大となり強い衝撃波が発生することが分かった。発生した強い衝撃波は氷微惑星を蒸発させると共に、円盤中のダストを融解あるいは結晶化するまで加熱する。また何割かの微惑星は円盤の外側遠くに飛ばされることが示された。これらのプロセスに伴う分子輝線や結晶化ダストは観測可能であり惑星形成のプローブになりうることを示す。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 4件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] チューリッヒ大学(スイス)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [国際共同研究] チューリッヒ大学(スイス)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] Analyzing multistep homogeneous nucleation in vapor-to-solid transitions using molecular dynamics simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Kyoko K. Tanaka, Jurg Diemand, Hidekazu Tanaka, and Raymond Angelil
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 96 号: 2

    • DOI

      10.1103/physreve.96.022804

    • NAID

      120006337776

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Comprehensive study of thermal desorption of grain-surface species by accretion shocks around protostars2017

    • 著者名/発表者名
      H. Miura, T. Yamamoto, H. Nomura, T. Nakamoto, K. K. Tanaka, H. Tanaka,and M.Nagasawa
    • 雑誌名

      The Astrophysical J.

      巻: 839

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nucleation processes revealed by large-scale molecular dynamics simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Kyoko K. Tanaka, Hidekazu Tanaka, Juerg Diemand, and Raymond Angelil
    • 雑誌名

      Proceedings of the 20th International Conference on Nucleation and Atmospheric Aerosols

      巻: - ページ: 7-14

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際共著
  • [雑誌論文] 大規模分子動力学計算による核生成の研究~古典的核生成理論の検証と改良~2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子
    • 雑誌名

      日本結晶成長学会誌

      巻: 44 ページ: 2-10

    • NAID

      130005997211

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] Pure iron grains are rare in the universe2017

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kimura, Kyoko K. Tanaka, Takaya Nozawa, Shinsuke Takeuchi, Yuko Inatomi
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 3 号: 1

    • DOI

      10.1126/sciadv.1601992

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Comprehensive study of thermal desorption of grain-surface species by accretion shocks around protostars2017

    • 著者名/発表者名
      Hitoshi Miura, Tetsuo Yamamoto, Hideko Nomura, Taishi Nakamoto, Kyoko K. Tanaka, Hidekazu Tanaka, Makiko Nagasawa
    • 雑誌名

      The Astrophysical J.

      巻: 839 号: 1 ページ: 47-47

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aa67df

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 大規模分子動力学計算による核生成の研究~古典的核生成理論の検証と改良2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子
    • 雑誌名

      日本結晶成長学会誌

      巻: 印刷中

    • NAID

      130005997211

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] Reply to ”Comment on ‘Simple improvements to classical bubble nucleation models”2016

    • 著者名/発表者名
      Tanaka, K. K., Tanaka, H., Angelil, R., & Diemand, J.
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 94 号: 2 ページ: 026802-026802

    • DOI

      10.1103/physreve.94.026802

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 気相から固相への多段階核生成の分子動力学シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, Juerg Dieman, 田中秀和, Raymond Angelil
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2017-03-17
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 核生成過程の大規模分子動力学シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子
    • 学会等名
      「自然科学における階層と全体」シンポジウム
    • 発表場所
      名古屋ルーセントタワー(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2017-02-14
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nucleation processes revealed by large-scale molecular dynamics simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Kyoko K. Tanaka
    • 学会等名
      The 20th International Conference on Nucleation and Atmospheric Aerosols
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 過冷却水滴の結晶化理論モデル2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, 木村勇気
    • 学会等名
      第34回Grain Formation Workshop
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 気相ー固相転移の分子動力学シミュレーション:気相の凝縮と過冷却液滴の結晶化による多段階核生成2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, Juerg Diemand, 田中秀和、木村勇気、 Raymond Angelil
    • 学会等名
      結晶成長国内会議
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 過冷却水滴の結晶化理論モデル2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, 木村勇気
    • 学会等名
      新学術領域「宇宙分子進化」全体集会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 核生成過程の大規模分子動力学シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, 田中秀和、Juerg Diemand, Raymond Angelil
    • 学会等名
      第7回計算統計物理研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Multistep Nucleation from Vapor-to-Solid in Molecular Dynamics Simulations2017

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, Juerg Diemand, 田中秀和, Raymond Angelil
    • 学会等名
      地球惑星科学関連学会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 大規模分子動力学シミュレーションによる古典核生成理論の検証と改良2016

    • 著者名/発表者名
      田中今日子
    • 学会等名
      計算機センター特別研究プロジェクト「結晶成長の数理」第11回研究会
    • 発表場所
      学習院大(東京都豊島区)
    • 年月日
      2016-12-17
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 大規模分子動力学シミュレーションによる気泡の核生成過程および古典的理論の改良2016

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, 田中秀和, Juerg Diemand, Raymond Angelil
    • 学会等名
      プラズマシミュレータシンポジウム2016
    • 発表場所
      核融合研究所(岐阜県多治見市)
    • 年月日
      2016-09-07
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 固体微粒子の凝縮・結晶化の分子動力学シミュレーション2016

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, Juerg Diemand, 田中秀和, Raymond Angelil
    • 学会等名
      新学術領域「宇宙分子進化」全体集会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道札幌市)
    • 年月日
      2016-07-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Droplet Nucleation and Crystallization in Large-Scale Molecular Dynamics Simulation2016

    • 著者名/発表者名
      K. K. Tanaka, H. Tanaka, J. Diemand, and R. Angelil
    • 学会等名
      Goldschmidt2016
    • 発表場所
      Pacifico Yokohama (神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2016-06-26
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 液相からの気泡核生成の大規模分子動力学計算による気泡表面張力の算出2016

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, 田中秀和, Raymond Angelil, Juerg Diemand
    • 学会等名
      地球惑星科学関連学会 2016年合同大会
    • 発表場所
      幕張メッセ(千葉県千葉市)
    • 年月日
      2016-05-20
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 観測ロケットS-520-30号機を用いたアルミナとシリカの気相からの核生成実験2016

    • 著者名/発表者名
      木村 勇気、石塚 紳之介、山﨑 智也、田中 今日子、竹内 伸介、稲富 裕光
    • 学会等名
      地球惑星科学関連学会 2016年合同大会
    • 発表場所
      幕張メッセ(千葉県千葉市)
    • 年月日
      2016-05-20
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 降着衝撃波による氷ダスト表面吸着分子の昇華:脱離エネルギーが分布を持つ場合2016

    • 著者名/発表者名
      三浦均、山本哲生、野村英子、中本泰史、田中今日子、田中秀和、長沢真樹子
    • 学会等名
      地球惑星科学関連学会 2016年合同大会
    • 発表場所
      幕張メッセ(千葉県千葉市)
    • 年月日
      2016-05-20
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 水の凝縮核生成の分子動力学計算2016

    • 著者名/発表者名
      田中今日子, Raymond Angelil, 田中秀和, Juerg Diemand
    • 学会等名
      低温物質の界面・ナノ現象ワークショップ2016
    • 発表場所
      北海道大学(北海道札幌市)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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