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2016 年度 実施状況報告書

ガス銃衝突で発生する高温プルームと有機分子合成過程の研究

研究課題

研究課題/領域番号 15K05363
研究機関静岡大学

研究代表者

三重野 哲  静岡大学, 理学部, 教授 (50173993)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード小惑星衝突 / 高温ガスプルーム / 有機分子合成 / アミノ酸合成 / 軽ガス銃実験 / プラズマ発生 / 炭素微粒子発生 / タイタン衛星
研究実績の概要

タイタンなどの衛星/惑星に小惑星が衝突した時、どのようなプラズマが発生し、どのような高温ガス反応が起き、どのような有機物が合成されるかを研究するため、2段式軽ガス銃を用いた衝突実験を実施した。1気圧の窒素で満たされた与圧室に、速さ7km/sのポリカーボネート弾をターゲットに入射し、高温ガスプルームを発生させた。この高温ガスプルームを高速ビデオカメラと16ch多極ラングミュアプローブで観測した。この方法により、高温ガスプルームの挙動や寿命を記録することができた。また、発生するプラズマの電子温度、電子密度の時間変化を記録することができた。一方、与圧室の入り口部分に、平行板電極を置き、衝突後に噴出する微粒子の挙動(速さ、量、電荷)を測定した。これらの測定より、発生高温ガスプルームは、窒素ガスと激しく衝突しながら拡散し、そのプラズマは、約7000Kの電子温度と約10^14m^-3の電子密度と30μsの寿命を持つことが分かった。ガスプルームの冷却過程で発生する炭素ナノ粒子の一部は、与圧室からターゲット室に噴出する。その速さは約 1 km/sであった。また、それらは、正・負の電荷を持ち、平行板電極に衝突した。
合成された炭素すすの一部は、与圧室の内壁に置いたアルミシートに堆積する。このすすを注意深く回収し、一部を加水分解し、化学修飾してから高速液体クロマトグラフ法で分析した。その結果、グリシン、アラニンなど12種類のアミノ酸が合成されていることを見い出した。一方、合成すすを純水還流処理し、その水溶液を化学修飾し、2次元液体クロマトグラフ法で分析した。その結果、D型、L型光学異性体が合成されていることが分かった。アラニンの場合、D/L比は約0.4であった。非生物的にアミノ酸を合成する時に、D/L比~1になるはずで有るが、異なっていた。この不一致について、原因を調査している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画通り、JAXA宇宙科学研究所にて、ガス銃実験を実施できた。期待される測定及び試料回収を行うことができた。
高温ガスプルーム発生においては、多極ラングミュアプローブによって、プラズマ電子の温度と密度の時間変化を測定することができた。また、与圧室入り口部に置かれた平行板電極を用いて、噴出する微粒子の流れや電流を測定することができた。
一方、合成炭素すすを化学処理し、液体クロマトグラフ分析することにより、12種類のアミノ酸の合成を確認した。また、光学異性体分析により、D体、L体の両方が、非生物的に合成されることが見い出された。これらは、期待される成果でり、予測の結果であった。しかし、D/L比の異常は予測外の結果であり、その原因を調査する必要がある。

今後の研究の推進方策

これまでの研究計画に沿って、研究を推進する。
高温ガスプルームについて、衝突後、飛翔体の運動エネルギーがどのようにガスプルーム発生に使われるか、検討する。また、ガスプルームの成長と減衰について、圧縮性流体の流体計算シミュレーションを行い、基礎となる過程を解明する。プラズマ生成について、約7000Kにおける電離過程について調べ、そのプラズマモデルを検討する。微粒子拡散について、個々の粒子の電荷量が決定されていないため、電場中の運動を観測し、電荷量を見積もる。
アミノ酸分析について。アミノ酸合成と共に、その前駆体分子も合成されているはずである。衝突後の残留ガスをその場質量分析し、どのような分子が発生しているかを解明していく。アミノ酸分析においては、光学異性体の分析を積極的に行い、D/L比の異常がどのように起きるかを調べる。アミノ酸の合成過程について、化学モデルを立て、実験を支持する合成過程を解明する。
このガス銃衝突実験について結果をまとめ、国際会議で発表し、論文としてまとめる。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2017 2016

すべて 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [学会発表] 小惑星衝突によるアミノ酸合成の模擬実験(ガス銃実験)2017

    • 著者名/発表者名
      三重野 哲、大河内一輝、関口俊介、長谷川 直、阿部仁美、癸生川 陽子、小林憲正
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪府豊中市、大阪大学
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] Impact synthesis of amino acids on carbon nano-particles in nitrogen gas2017

    • 著者名/発表者名
      T. Mieno, K. Okochi, S. Hasegawa,
    • 学会等名
      第52回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • 発表場所
      東京都文京区、東京大学
    • 年月日
      2017-02-28 – 2017-03-03
  • [学会発表] 窒素ガス中ガス銃衝突反応で合成されるアミノ酸の分析2017

    • 著者名/発表者名
      三重野 哲、関口俊介、中村悟之、長谷川 直、柴田裕実、阿部仁美、癸生川 陽子、小林憲正
    • 学会等名
      平成28年度宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
    • 発表場所
      神奈川県相模原市、JAXA宇宙科学研究所
    • 年月日
      2017-02-27 – 2017-02-28
  • [学会発表] ガス銃を用いた窒素ガス中飛翔体衝突によるアミノ酸合成(小惑星衝突模擬実験)2016

    • 著者名/発表者名
      三重野 哲
    • 学会等名
      「プラズマ科学における分光計測の高度化と原子分子過程研究の新展開」「原子分子データ応用フォーラムセミナー」合同研究会
    • 発表場所
      岐阜県土岐市、核融合科学研究所
    • 年月日
      2016-12-20 – 2016-12-22
    • 招待講演
  • [学会発表] Measurement of CN rotational temperature and blackbody temperature for a hot gas plume generated by gas-gun experiment2016

    • 著者名/発表者名
      S. Nakamura, K. Kondo, T. Mieno
    • 学会等名
      17th Workshop on Fine Particle Plasmas/Japan-Korea Workshop on Dust Plasmas
    • 発表場所
      岐阜県土岐市、核融合科学研究所
    • 年月日
      2016-12-20 – 2016-12-21
    • 国際学会
  • [学会発表] 2段式軽ガス銃を用いた小惑星衝突模擬実験によるアミノ酸分子合成2016

    • 著者名/発表者名
      関口俊介、三重野 哲、長谷川 直、阿部仁美、癸生川 陽子、小林憲正
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      石川県金沢市、金沢大学
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] ガス銃衝突実験で発生する高温プルームのCN分子回転温度と黒体輻射温度の測定2016

    • 著者名/発表者名
      中村悟之、近藤和彦、三重野 哲
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      石川県金沢市、金沢大学
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] Analysis of amino acids synthesized in a gas plume by projectile-impact in nitrogen gas (Model experiment of asteroid's impacts}2016

    • 著者名/発表者名
      T. Mieno, H. Abe, K. Okochi, S. Hasegawa, H. Shibata, Y. Kebukawa, K. Kobayashi
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2016
    • 発表場所
      千葉県千葉市、幕張メッセ
    • 年月日
      2016-05-22 – 2016-05-26

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公開日: 2018-01-16  

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