分子雲における星間ダスト進化モデルの構築

• 研究領域: 新しい星形成論によるパラダイムシフト：銀河系におけるハビタブル惑星系の開拓史解明
• 研究課題/領域番号: 19H05085
• 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: 千葉工業大学
• 研究代表者: 木村 宏 千葉工業大学, 惑星探査研究センター, 研究員 (10400011)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2019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: 分子雲 / 星間ダスト / 成長・破壊 / 光散乱 / 数値シミュレーション

研究開始時の研究の概要

分子雲における星間ダストの付着成長および光散乱を数値シミュレーションし、星間ダストの進化モデルを構築することで、物質進化の観点から星・惑星系形成の謎を読み解くだけでなく、ハビタブル惑星での生命の起源の普遍性について新たな視点を提供することを目的とする。

研究実績の概要

本研究では、分子雲におけるダストの成長・破壊・光散乱を数値シミュレーションするための計算環境を整え、分子雲での星間ダストの進化モデルを構築する事を具体的な目的としている。
本年度前半では、水氷が過去に考えられていたよりも付着力が高いという近年の室内実験結果について、理論的な考察を行い理解することが、分子雲での星間ダストの進化モデルを構築する上で極めて重要な喫緊の課題であるという認識に至った。従って、当初の計画を変更し、氷を用いた付着に関する実験結果を全て説明可能なモデルを構築し、分子雲での星間ダストの進化に及ぼす影響を調べた。接触力学や摩擦学の理論を駆使した結果、ほとんどの実験結果が氷表面における擬似液体層の影響を受けており、分子雲における氷微粒子同士の付着には適用外であると判明した。また、氷の付着力は有機物と比べて弱く、分子雲密度の低い領域では氷形成によってダスト成長が妨げられる可能性を示唆した。
本年度後半では、本来、本年度前半に予定していたダストアグリゲイトの可視光領域 (波長 0.6 ミクロン) での光散乱特性を superposition T-matrix 法により数値計算を実行した。この計算法では、米オーバーン大学の Daniel Mackowski 氏が開発した MSTM3 コードを改良し、倍以上の計算速度を得たコードを使って 2 ～ 8192 粒子からなるアグリゲイトまでの光散乱を計算した。その結果、粒子数が 1000 を超えると、可視光領域での光散乱特性は回折光・前方散乱を除き粒子数にほぼ依存しないことがわかった。言い換えると、ダストの付着成長に伴いサイズパラメーター (波数とダスト半径の積) が大きくなるが、その値が 10 を超える大きなダストアグリゲイトの光散乱は、サイズパラメーターが 10 程度のダストアグリゲイトでシミュレーション可能であると言える。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Freie Universitaet Berlin/University of Heidelberg/MPS(ドイツ)
• [国際共同研究] ESA-ESAC(スペイン)
• [国際共同研究] MPS/Free University of Berlin/Heidelberg University(ドイツ)
• [国際共同研究] ESA-ESAC(スペイン)
• [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] The tensile strength of dust aggregates consisting of small elastic grains: constraints on the size of condensates in protoplanetary discs (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Hiroshi、Wada Koji、Yoshida Fumi、Hong Peng K、Senshu Hiroki、Arai Tomoko、Hirai Takayuki、Kobayashi Masanori、Ishibashi Ko、Yamada Manabu
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 496 号: 2 ページ: 1667-1682
  • DOI: 10.1093/mnras/staa1641
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Is water ice an efficient facilitator for dust coagulation? (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Hiroshi、Wada Koji、Kobayashi Hiroshi、Senshu Hiroki、Hirai Takayuki、Yoshida Fumi、Kobayashi Masanori、Hong Peng K、Arai Tomoko、Ishibashi Ko、Yamada Manabu
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 498 号: 2 ページ: 1801-1813
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2467
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Organic matter in interstellar dust lost at the approach to the heliosphere (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Hiroshi、Postberg Frank、Altobelli Nicolas、Trieloff Mario
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 643 ページ: A50-A50
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201526964
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Helios spacecraft data revisited: detection of cometary meteoroid trails by following in situ dust impacts (2020)
  • 著者名/発表者名: Krueger Harald、Strub Peter、Sommer Max、Altobelli Nicolas、Kimura Hiroshi、Lohse Ann-Kathrin、Gruen Eberhard、Srama Ralf
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 643 ページ: A96-A96
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202038935
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mercury Dust Monitor (MDM) Onboard the Mio Orbiter of the BepiColombo Mission (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Masanori、Shibata Hiromi、Nogami Ken’ichi、Fujii Masayuki、Hasegawa Sunao、Hirabayashi Masatoshi、Hirai Takayuki、Iwai Takeo、Kimura Hiroshi、Miyachi Takashi、Nakamura Maki、Ohashi Hideo、Sasaki Sho、Takechi Seiji、Yano Hajime、Kr?ger Harald、Lohse Ann-Kathrin、Srama Ralf、Strub Peter、Gr?n Eberhard
  • 雑誌名: Space Science Reviews 巻: 216 号: 8 ページ: 1-2
  • DOI: 10.1007/s11214-020-00775-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The morphological, elastic, and electric properties of dust aggregates in comets: A close look at COSIMA/Rosetta’s data on dust in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Hiroshi、Hilchenbach Martin、Merouane Sihane、Paquette John、Stenzel Oliver
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 181 ページ: 104825-104825
  • DOI: 10.1016/j.pss.2019.104825
  • NAID: 130007977317
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Size of the smallest particles in Saturn's rings (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiji Ohtsuki, Hiroshi Kawamura, Naoyuki Hirata, Hiroshi Daisaka, Hiroshi Kimura
  • 雑誌名: Icarus 巻: - ページ: 113346-113346
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2019.06.007
  • NAID: 120006867374
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Modelling DESTINY+ interplanetary and interstellar dust measurements en route to the active asteroid (3200) Phaethon. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kruger, H., Strub, P., Srama, R. Kobayashi, M., Arai, T., Kimura, H., Hirai, T., Moragas-Klostermeyer, G., Altobelli, N., Sterken, V. J., Agarwal, J., Sommer, M, Grün, E.
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 172 ページ: 22-42
  • DOI: 10.1016/j.pss.2019.04.005
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Modeling of an Ejecta Cloud in the Vicinity of Asteroid (3200) Phaethon: A Predicton for the Detection of Ejecta Dust by the DESTINY+ Dust Analyzer (DDA) (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura, H., Kobayashi, M., Wada, K., Arai, T., Senshu, H., Ishibashi, K., Hirai, T., Yoshida, F., and Hong, P.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] The Morphological, Elastic, and Electric Properties of Dust Aggregates in Comets: A Close Look at COSIMA/Rosetta's Data on Dust in Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura, H., Hilchenbach, M., Merouane, S., Paquette, J., and Stenzel, O.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Science of DESTINY+ mission (2020)
  • 著者名/発表者名: Arai, T., Kobayashi, M., Ishibashi, K., Yoshida, F., Kimura, H., Hirai, T., Hong, P., Srama, R., Krueger, H., Okazaki, N., Yamamoto, T., Toyota, H., Nishiyama, K., Takashima, T., and DESTINY+ Science Team
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Development and Ground Calibration Strategy of DESTINY+ Dust Analyzer (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirai, T., Kobayashi, M., Arai, T., Kimura, H., Srama, R., Krueger, H., Yabuta, H., Ito, M., Trieloff, M., Sasaki, S., Nakamura, T., and Yano, H.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] The Size of Ejecta Particles of the Artificial Impact Crater Formed by Hayabusa2 Small Carry-on Impactor (2020)
  • 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., and Yano, H.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] On the chemical composition of dust in the Local Interstellar Cloud (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura, H., DESTINY+/DDA Team
  • 学会等名: PERC Int'l Symposium on Dust & Parent Bodies 2021 (IDP2021)
  • 国際学会
• [学会発表] ダストアグリゲイト付着成長・衝突破壊モデルの現状 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏
  • 学会等名: 新しい星形成理論によるパラダイムシフト 2020年度大研究会
• [学会発表] MMX搭載火星周辺ダストモニターによる火星周辺のダスト環境計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林 正規, 奥平 修, 千秋博紀, 和田浩二, 木村 宏
  • 学会等名: 第17回宇宙環境シンポジウム
• [学会発表] DESTINY+が目指すサイエンス (2020)
  • 著者名/発表者名: 荒井 朋子, 小林 正規, 石橋 高, 吉田 二美, 木村 宏, 平井 隆之, 洪 鵬, 千秋 博紀, 和田 浩二, Srama Ralf, Krueger Harald, 豊田 裕之, 西山 和孝, 今村 裕志,高島 健, DESTINY+ サイエンスチーム
  • 学会等名: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] On the Detection of an Ejecta Dust Cloud Around Asteroid (3200) Phaethon by DESTINY+ (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏, 小林 正規, 平井 隆之, 和田 浩二, 荒井 朋子, 千秋 博紀, 石黑 正晃, 花山 秀和, 石橋 高, 吉田 二美, 洪 鵬
  • 学会等名: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] DESTINY+搭載用ダストアナライザの開発と科学研究に向けた準備 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林 正規, 平井 隆之, 木村 宏, 荒井 朋子, Srama Ralf, Krueger Harald
  • 学会等名: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] DESTINY+ダストアナライザの地上較正計画 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平井 隆之, 薮田 ひかる, 伊藤 元雄, 小林 正規, 荒井 朋子, 木村 宏, 佐々木 晶, Trieloff Mario, Hillier Jon, Khawaja Nozair, Eckart Lisa, Simolka Jonas, Krueger Harald, Srama Ralf
  • 学会等名: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] DESTINY+計画の進展とサイエンス (2020)
  • 著者名/発表者名: 荒井 朋子, 小林 正規, 石橋 高, 吉田 二美, 木村 宏, 平井 隆之, 洪 鵬, 千秋 博紀, 和田 浩二, Srama Ralf, Krueger Harald, 今村 裕志, 豊田 裕之, 西山 和孝, 高島 健, 佐々木晶, 薮田ひかる, 石黒正晃, 渡部潤一, 伊藤孝士, 大坪貴文, 大塚勝仁, 他
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2020年 秋季講演会
• [学会発表] DESTINY+搭載用ダストアナライザの開発と地上較正計画 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平井 隆之, 小林 正規, 荒井 朋子, 木村 宏, 薮田 ひかる, 天野 翠, 小林 幸雄, 伊藤 元雄, 佐々木 晶, 矢野 創, Trieloff Mario, Hillier Jon, Khawaja Nozair, Eckart Lisa, Simolka Jonas, Krueger Harald, Srama Ralf, DESTINY+チーム
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2020年 秋季講演会
• [学会発表] 彗星ダストアグリゲイトの形態的・弾性的・電気的特性について：ESA 彗星探査機 Rosetta に搭載された飛行時間型二次イオン質量分析計 COSIMA のデータが語る 67P/Churyumov-Gerasimenko 彗星ダストの物語 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏, Martin Hilchenbach, Sihane Merouane, John Paquette, Oliver Stenzel
  • 学会等名: 2020年度 日本地球化学会第67回年会
  • 招待講演
• [学会発表] Current development status of DESTINY+ Dust Analyzer (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Hirai, Masanori Kobayashi, Tomoko Arai, Hiroshi Kimura, Ralf Srama, Harald Krueger, and DESTINY+ team
  • 学会等名: PERC Int'l Symposium on Dust & Parent Bodies 2020 (IDP2020)
  • 国際学会
• [学会発表] The morphological, elastic, and electric properties of dust aggregates in comets: A close look at COSIMA/Rosetta’s data on dust in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimura, H., Hilchenbach, M., Merouane, S., Paquette, J., and Stenzel, O.
  • 学会等名: Cosmic Dust
  • 国際学会
• [学会発表] Interstellar Dust Measurements with the Interstellar Probe (2019)
  • 著者名/発表者名: Srama, R., Krueger, H., Sterken, V., Strub, P., Altobelli, N., Albin, Th., Horanyi, M., Hsu, S., Kempf, S., Kimura, H., Mocker, A., Li, Y., Postberg, F., Strack, H., Simolka, J., Sommer, M., Sternovsky, Z., and Trieloff, M.
  • 学会等名: EPSC-DPS Joint Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Cometary dust trail simulations for the Martian Moons Exploration (MMX) mission (2019)
  • 著者名/発表者名: Krueger, H., Kobayashi, M., Sasaki, S., Soja, R., Sommer, M., Strub, P., Srama, R., Moragas-Klostermeyer, G., Kimura, H., Hirai, T., Arai, T., Ishimaru, R., and Gruen, E.
  • 学会等名: EPSC-DPS Joint Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] DESTINY+計画の理学ミッション検討状況 (2019)
  • 著者名/発表者名: 荒井 朋子、小林 正規、石橋 高、吉田 二美、木村 宏、平井 隆之、洪 鵬、 Ralf Srama, Harald Kruger, 渡部 潤一、岡本 尚也、豊田 裕之、西山 和孝、高島 建、 DESTINY+サイエンスチーム
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2019年 秋季講演会
• [学会発表] DESTINY+搭載用ダストアナライザの開発と サイエンス検討状況 (2019)
  • 著者名/発表者名: 平井 隆之、小林 正規、荒井 朋子、木村 宏、Srama Ralf、Krueger Harald、DESTINY+チーム
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2019年 秋季講演会