2022 年度実施状況報告書

数値シミュレーションを用いた土星の環のカッシーニ間隙形成過程の研究

研究課題

研究課題/領域番号	20K04047
研究機関	京都女子大学
研究代表者	道越秀吾京都女子大学, 宗教・文化研究所, 講師 (60572229)
研究期間 (年度)	2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード	太陽系 / 土星 / リング / シミュレーション / 共鳴 / 密度波
研究実績の概要	土星探査機カッシーニ探査機は、土星の環の多様な構造を発見しましたが、特にカッシーニ間隙には多くの未解明構造が残されています。本研究の目的は、数値シミュレーションを用いて、土星の環のカッシーニ間隙形成の検証を行い、間隙に存在する構造の起源を明らかにすることです。現実の土星の環のシミュレーションには、膨大な数の粒子と非常に長い進化時間の計算が必要であり、現在利用可能な計算機では完全なシミュレーションが不可能です。そのため、コードを十分に最適化し、現実の物理的性質を損なわないようにスケール変換を行って考察する必要があります。 2020年度には、シミュレーションコードの改良と最適化を行いました。2021年度には、土星の環と衛星の相互作用の数値実験を行いました。従来研究においても土星の環と衛星の相互作用に関するシミュレーションはありましたが、自己重力を考慮した3次元N体シミュレーションは今回が初めてとなります。本研究では、3次元N体シミュレーションを行い、カッシーニ間隙が形成と関係すると考えられるリンドブラッド共鳴による密度波を再現し、シミュレーション結果を線形摂動解析の理論研究と比較しました。非定常構造や波動の伝播しないエヴァネッセント領域の発生などの定性的な理論予測は一致していましたが、定量的な検証のための十分な空間精度での長時間シミュレーションが現状では困難であるため、さらなるコードの高速化が必要であることが分かりました。そこで、2022年度には、粒子衝突処理と時間積分のアルゴリズムを工夫することによって、シミュレーションの高速化を試みました。現状では、テスト問題では正しい結果が得られており、計算速度も向上していることが確認されています。今後の研究では、高速化されたシミュレーションコードを用いて、カッシーニ間隙における未解明構造の解析を進めて行く予定です。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由カッシーニ間隙とリンドブラッド共鳴に関する先行研究を精査し、現実的なタイムスケールで間隙形成シミュレーションを実施するための適切なパラメータセットを検討しました。選択したパラメータセットを使用してシミュレーションを行い、リンドブラッド共鳴による密度波形成と粘性過安定の形成が可能となりました。一部は理論と一致していますが、予想されていなかった自己重力による微細構造が確認され、定量的な検証が行えていないためさらなる研究が必要です。詳細な検証のためには、より大規模で長時間の計算が必要であることが明らかとなりました。そのため、研究計画を見直し、アルゴリズムとコード開発による高速化をまずは行うこととしました。そのため、研究計画が遅れてしまいましたが、現在はアルゴリズムの正当性検証と最適パラメータ探索を進めています。GPU対応は今後の重要な課題となります。
今後の研究の推進方策	シミュレーションコードの開発においては、昨年度に衝突アルゴリズムの改良を実施し、高速化を試みました。今後はコードの検証を継続して行い、実際のシミュレーション研究に適用できるように、検証とパラメータ探索を行う予定です。重力や衝突計算のGPU対応により、さらなる長時間計算を可能にすることが課題となっています。このため、今年度はGPU対応の計算サーバを導入し、コード開発を進める予定としています。 2021年度では、密度波の基本的なシミュレーションを実施し、線形摂動解析などの理論研究と比較を行いました。これはテスト計算であるため、粒子数は実際よりもかなり少なく設定していました。今年度は、改良されたシミュレーションコードを使用して、より現実に近いパラメータ設定でのシミュレーションを行うことを目指し、大規模な計算の実施を目標としています。そのうえで、理論や観測との整合性を確認し、研究成果としてまとめていく予定です。
次年度使用額が生じた理由	当初の計画では、計算サーバおよび解析サーバを年度内に導入する予定でした。しかし、昨年度は、さらなるコード開発が必要であることが判明したことと、コード開発が自体が遅延したため、予定していた計算サーバの導入には至らず、その結果、繰越金が発生しました。昨年度にアルゴリズム開発が進んだことから、今年度は結果の解析のために大規模なメモリやCPUが利用可能な計算サーバの導入を実施する予定です。