衝突破壊の超高速X線トモグラフィーによる小惑星族の多様性に関する研究

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H00719
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 荒川 政彦 神戸大学, 理学研究科, 教授 (10222738)
• 研究分担者: 長谷川 直 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 主任研究開発員 (10399553) ; 保井 みなみ 神戸大学, 理学研究科, 講師 (30583843) ; 白井 慶 神戸大学, 理学研究科, 特命技術員 (90870519)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 小惑星 / 衝突破壊・再集積 / フラッシュX線 / デジタル画像相関法 / 衝突破壊強度 / 熱進化 / 層構造天体 / ラブルパイル天体

研究実績の概要

今年度は、重力支配域の衝突破壊強度に対する摩擦や粘性の影響を調べるために、延性標的に対して衝突破片の質量―速度分布を求める実験を行った。そのために粘性10Pasと60Pasのシリコンオイルと含水ケイ酸塩鉱物（ベントナイト）の粉末を混合した延性球標的を作成した。神戸大学で、この粘土球のShattering強度を測定した。さらに宇宙科学研究所で、この粘土球の中に直径3mmの鉄製トレーサー粒子を配置し、そのトレーサー粒子の運動をフラッシュX線を利用した観測により追いかけることで、標的内部の粒子速度分布を推定した。一方、フラッシュX線を利用した粒子速度分布の測定法では、数100μs間隔の平均的な速度場とトレーサー粒子を用いた平均的な領域の速度しか求めることができない。この弱点を補うために半球標的の断面をDIC法（デジタル画像相関法）により観測して、粒子速度分布の時間変化を測定する手法を開発した。この手法では、半球標的の断面にランダムな模様を付けて、その模様の時間変化を高速カメラにより20万コマ毎秒で観測する。今年度は、標的には多孔質均質標的と層構造標的（粘土コア、多孔質試料マントル）の2種類を準備し、内部構造が及ぼす粒子速度分布への影響を調べるための技術開発を行った。その結果、半球断面を衝撃インピーダンスの似たアクリルプレートで覆うことで、この断面の可視化と断面を作ったことによる自由表面の影響をほぼ除去することに成功した。予備実験では、均質試料では、衝突点付近からのクレーター形成に伴う衝突方向への粒子速度分布や標的中心部に見られる低速度領域が確認されている。層構造標的では、中心部分の粘土コアの変形や標的表面のマントルが比較的高速度で運動する様子が確認された。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

フラッシュX線による撮影は、共同利用申請が必要な宇宙科学研究所でしか行うことができない。今年度は共同利用にも採択されてマシンタイムを確保できたが、新型コロナの影響で共同利用が一時中止となり、必要なマシンタイムを確保することができなかった。年4回の実験機会のうち一度しかフラッシュX線による撮影実験はできなかった。この様に宇宙科学研究所の共同利用は新型コロナの影響によりマシンタイムが左右されるので、神戸大学の衝突装置と高速カメラだけで実施可能な新たな観測手法を開発することにした。昨年度は、高速カメラ2台を同期させた３次元速度解析システムを構築したが、このシステムは比較的大きなガラスビーズの集合体など、飛散する粒子サイズや初期位置が事前に同定できるものに応用が限られる。そこで半球標的の断面を高速カメラで撮影し、それをデジタル画像相関法（DIC法）で解析することで標的内部の粒子速度分布の時間変化を決める方法を新たに開発した。この方法とフラッシュX線による撮像・解析を相補的に利用する環境を整えた。

今後の研究の推進方策

最終年度も宇宙科学研究所にフラッシュX線を利用するための共同利用申請を行い、充分なマシンタイムを確保する。ただし、コロナ禍でもあり、マシンタイムが中止となる可能性もある。そこで、今年度開発したDIC法による標的内部の速度分布の解析も進めることにする。当初予定していた様々な熱進化段階にある微惑星も模擬試料を用いた実験を遂行するために、粘土球や層構造球を用いた実験を引き続き実施する。
また、4方向からのX線撮影画像を用いたトモグラフィーを実現するために新規の分担者を追加したので、フラッシュX線の実験が再開したら、すぐに解析を開始できるように新たに購入した専用の計算サーバーにより、解析手法の開発を進める。
一方、小惑星族の形成に関係する衝突破壊の重力再集積に関するシミュレーションは、スイス・ベルン大学のJutzi博士との共同研究で行うことを予定していた。しかしながら、コロナ禍で日本への招聘は難しい状況である。オンラインでの会合を重ねて今回の実験に対応するような小天体の衝突破壊再集積のシミュレーション研究を進める予定である。

研究成果

• [国際共同研究] ベルン大学(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: ベルン大学
• [雑誌論文] Experimental study concerning the oblique impact of low- and high-density projectiles on sedimentary rocks (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Ayako I.、Fujita Yoichi、Harada Shunya、Kiuchi Masato、Koumoto Yasunari、Matsumoto Eri、Omura Tomomi、Shigaki Sae、Taguchi Erine、Tsujido Sayaka、Kurosawa Kosuke、Hasegawa Sunao、Hirai Takayuki、Tabata Makoto、Tamura Hideki、Kadono Toshihiko、Nakamura Akiko M.、Arakawa Masahiko、Sugita Seiji、Ishibashi Ko
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 195 ページ: 105141～105141
  • DOI: 10.1016/j.pss.2020.105141
  • 査読あり
• [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 and 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
• [雑誌論文] Discovery of Two TNO-like Bodies in the Asteroid Belt (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Sunao、Marsset Michael、DeMeo Francesca E.、Bus Schelte J.、Geem Jooyeon、Ishiguro Masateru、Im Myungshin、Kuroda Daisuke、Vernazza Pierre
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 916 ページ: L6～L6
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac0f05
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An artificial impact on the asteroid (162173) Ryugu formed a crater in the gravity-dominated regime (2020)
  • 著者名/発表者名: Arakawa M.、Saiki T.、Wada K.、Ogawa K.、Kadono T.、Shirai K.、Sawada H.、Ishibashi K.、Honda R.、Sakatani N.、Iijima Y.、Okamoto C.、Yano H.、Takagi Y.、Hayakawa M.、Michel P.、Jutzi M.、Shimaki Y.、Kimura S.、Mimasu Y.、Toda T.、Imamura H.、Nakazawa S.、Hayakawa H.、Sugita S.、Morota T.、Kameda S.、Tatsumi E., 他40名
  • 雑誌名: Science 巻: 368 ページ: 67～71
  • DOI: 10.1126/science.aaz1701
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Impact Experiment on Asteroid (162173) Ryugu: Structure beneath the Impact Point Revealed by In Situ Observations of the Ejecta Curtain (2020)
  • 著者名/発表者名: Kadono Toshihiko、Arakawa Masahiko、Honda Rie、Ishibashi Ko、Ogawa Kazunori、Sakatani Naoya、Sawada Hirotaka、Shimaki Yuri、Shirai Kei、Sugita Seiji、Wada Koji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 899 ページ: L22～L22
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aba949
  • 査読あり
• [学会発表] Impact cratering experiments on granular targets simulating surface layer on asteroid 162173 Ryugu: Crater scaling law and impact induced seismic shaking (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasui, M., Arakawa, M., Okawa, H., Hasegawa, S.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Three-dimensional tracking of various sized glass beads ejected from impact crater (2021)
  • 著者名/発表者名: Okawa, H., Arakawa, M., Yasui, M., Hasegawa, S., Yokota, Y., Yamamoto, Y
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Crater size scaling law and impact-induced seismic shaking on rubble-pile asteroids (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, Y., Arakawa, M., Yasui, M., Hasegawa, S., Yokota, Y., Okawa, H., Sugimura, R.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] High velocity impact experiments on porous ice aggregates simulating cometary nuclei surface: Measurements of post shock temperature around impact crater (2021)
  • 著者名/発表者名: Sasai, H., Yasui, M., Arakawa, M., Shirai, K.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental study on impact craters formed on mountain-like surface topography of asteroids (2021)
  • 著者名/発表者名: Yokota, Y., Arakawa, M., Yasui, M., Yamamoto, Y., Okawa, H., Hasegawa, S.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] A hybrid SPH-SSDEM framework for end-to-end impact cratering modeling (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang, Y., Jutzi, M., Michel, P., Raducan, S. D., Arakawa, M.
  • 学会等名: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Resurfacing processes on asteroid (162173) Ryugu caused by an artificial impact of Hayabusa2’s Small Carry-on Impactor (2020)
  • 著者名/発表者名: Arakawa, M., Honda, R., Yokota, Y., Shimaki, Y., Shirai, K., Kadono, T., Wada, K., Ogawa, K., Ishibashi, K., Sakatani, N., Yasui, M., Morota, T., Kameda, S., Tatsumi, E., Yamada, M., Kouyama, T., Cho, Y., Matsuoka, M., Suzuki, H., Honda, C., Hayakawa, M., Yoshioka, K., Sawada, H., Sugita, S., Hirata, N., Hirata, N.
  • 学会等名: 52nd Meeting of the AAS Division for Planetary Sciences
  • 国際学会
• [学会発表] Artificial impact crater formed by Small Carry-on Impactor on the asteroid 162173 Ryugu in the gravity-dominated regime (2020)
  • 著者名/発表者名: Arakawa M. et al. 他33名
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フラッシュX線による衝突破片の速度ー質量分布の計測：粘土を用いた延性標的の衝突破壊実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長野巧，荒川政彦，保井みなみ，堀川和洋
  • 学会等名: 日本惑星科学会2020年度秋季講演会（会津）
• [学会発表] 低強度標的を用いた衝突破壊実験:引張強度と衝突破壊強度の関係 (2020)
  • 著者名/発表者名: 堀川和洋，荒川政彦，保井みなみ，杉村瞭
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 弱い強度を持つ表面への衝突クレーター形成実験とクレータースケール則の構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉村瞭，荒川政彦，保井みなみ，千秋博紀，長谷川直
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 氷微惑星の衝突破壊強度に対する斜め衝突の効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中村誠人，保井みなみ，荒川政彦
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 多孔質氷上のクレーター形成に伴う衝突残留温度の計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 笹井遥，保井みなみ，荒川政彦，中村誠人
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 多孔質氷天体を模擬したクレーター形成実験：衝突残留熱の計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 笹井遥，荒川政彦，保井みなみ，白井慶
  • 学会等名: 日本惑星科学会2020年度秋季講演会（会津）
• [学会発表] 衝突残留熱と小惑星母天体の熱変成過程に関する実験的研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 保井みなみ，田澤拓，橋本涼平，荒川政彦，小川和律
  • 学会等名: 日本惑星科学会2020年度秋季講演会（会津）