惑星核条件における惑星内部物質の音速と密度の関係（バーチ則）の検証

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K05541
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 境家 達弘 大阪大学, 理学研究科, 助教 (60452421)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 磁硫鉄鉱 / 音速 / 地球核 / スーパーアース / 予備加熱

研究実績の概要

地球核、特に外核の組成に制約条件を与え、地球・惑星の形成過程を理解することが目的である。大型レーザーによる動的圧縮法を使って地球核条件下での地球核物質の音速・密度測定を行い、地球深部の情報を持つ地震波データと直接比較可能な音速データ（弾性波速度）を使って外核の組成を評価する。また得られた音速データから、巨大惑星やスーパーアースの中心核の組成にも制約条件を与える。物質科学的な応用として、音速と密度の間にある線形関係が固体と液体の間で普遍であるかどうか検証することも目的とする。
大型レーザー装置を用いて、他の手法では再現困難である圧力条件下で鉄合金や金属の音速等の物性測定を行っている。磁硫鉄鉱を用いた音速測定は、最大600 GPaまでの圧力でデータを取得し、その結果、音速は圧力に対して増加し、同じ圧力で比較した場合、純鉄よりも磁硫鉄鉱の音速は小さいことがわかった。この結果は、先行研究における鉄-硫黄系合金の音速結果とコンシステントであった。鉄への硫黄の添加は音速を減少させ、圧力に対する音速変化への影響は小さいと考えられる。鉄-硫黄系合金は、地球の始原物質にも含まれており、核の密度を大幅に減少させる物質でもあるので、近年多数発見されているスーパーアースにおいて核密度が小さい天体が発見されれば、本研究結果からスーパーアースの核組成に評価に制約条件を与えることが出来ると考えられる。
一方で、地球外核条件での音速データを取得するために、真空中で試料を予備加熱する装置の開発として、実験室に既存のレーザー加熱装置に設置可能な真空容器の設計および製作を行った。予備加熱や測温テストについては、来年度実施予定である。

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

磁硫鉄鉱の音速測定結果から純鉄の音速に対する硫黄の影響を評価し、地球核組成に制約条件を与えることが出来た。またスーパーアースの核組成の評価に本研究結果を応用する可能性を示唆した。地球各条件での音速測定を実現するための予備加熱装置の開発として、真空容器の設計および製作を行った。以上の結果から、本研究課題はおおむね順調に進展していると考えられるため。

今後の研究の推進方策

鉄合金などの音速測定結果から地球外核組成の評価およびバーチ則の一般性に対して検証を行う。予備加熱は抵抗加熱を用いる予定であるが高温の達成が困難であった場合は、レーザー加熱あるいは抵抗加熱とレーザー加熱を併用して行う。また加熱中の試料の測温は熱電対や輻射分光計を使ってその場で行う予定であるので、事前に光学窓用の鏡筒などを準備しておく。予備加熱のその場観測が困難である場合は、オフラインで予め温度較正を行って評価する。