超高速レーザー銃実験による惑星間衝突の実験的研究

2009 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21244069
• 研究機関: 千葉工業大学
• 研究代表者: 松井 孝典 千葉工業大学, 惑星探査研究センター, 所長 (80114643)
• 研究分担者: 杉田 精司 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (80313203) ; 門野 敏彦 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 准教授 (60359198) ; 中村 昭子 神戸大学, 大学院・理学研究科, 准教授 (40260012) ; 荒川 政彦 名古屋大学, 大学院・環境学研究科, 准教授 (10222738)
• キーワード: レーザー銃 / 惑星進化 / 天体衝突 / 衝突蒸気雲 / 衝撃波 / 高速分光法 / 原子分光法 / 状態方程式

研究概要

地球型惑星上への天体衝突は秒速10kmを超える速度で起きる。このような衝突では固体惑星の主要構成要素であるケイ酸塩でさえも蒸発することが理論的に予想されている。衝撃加熱によって蒸発したケイ酸塩は、巨大衝突による月の起源や、蒸気雲中での生命前駆物質合成において非常に重要役割を果たしたと考えられているものの、ケイ酸塩岩の衝突蒸発の効率やその後の膨張速度は、よく分わかっていない。これは、実験の困難さからケイ酸塩の衝撃圧縮時のエネルギー分配過程を記述する状態方程式が確立されていないことによる。そこで、我々は大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの高強度レーザー「激光XII号」を用いて、世界で初めての宇宙速度領域におけるケイ酸塩の衝撃圧縮実験を行った。本計画で導入した時間分解型高速分光計を用いて、衝撃圧縮エネルギー分配過程をその場観測した。得られた発光スペクトルの解析を行い、圧縮中の温度、圧力、及び、断熱解放を経て蒸発した後のケイ酸塩蒸気の温度、電子密度の時間変化を推定した。その結果、今まで考慮されてこなかった衝撃圧縮中の電離による吸熱、及び断熱膨張中の電子再結合による発熱がケイ酸塩の熱力学進化において重要な役割を果たしてる可能性が高いことが明らかになった。この過程を考慮すると衝撃圧縮時に得られるエントロピーが大幅に増加し、ケイ酸塩の蒸発率も大幅に増加する。また電子再結合による発熱はケイ酸塩蒸気の膨張率を変化させると期待される。これらの結果は、従来考えられていた巨大衝突による月形成仮説を成立させる最適な衝突条件を大幅に変化させる可能性を秘めている。

研究成果

• [雑誌論文] Impact-induced N_2 production from ammonium sulfate (NH_4)_2SO_4 : Implications for the origin and evolution of N_2 in Titan's atmosphere (2010)
  • 著者名/発表者名: Fukuzaki, S., Y.Sekine, H.Genda, S.Sugita, T.Kadono, T.Matsui
  • 雑誌名: Icarus 巻: 209 ページ: 715-722
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact experiments with a new technique for acceleration of projectiles to velocities higher than Earth's escape velocity 11.2 km/s (2010)
  • 著者名/発表者名: Kadono, T., T.Sakaiya, Y.Hironaka, K.Otani, T.Sano, T.Fujiwara, T.Mochiyama, K.Kurosawa, S.Sugita, Y.Sekine, W.Nishikanbara3 T.Matsui, S.Ohno, A.Shiroshita, K.Miyanishi, N.Ozaki, R.Kodama, A.M.Nakamura M.Arakawa, S.Fujioka, K.Shigemori
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 115 ページ: doi:10.1029/2009JE003385
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact experiments with projectiles at velocities higher than 10 km/s (2009)
  • 著者名/発表者名: Kadono, T., T.Sakaiya, Y.Hironaka, K.Otani, T.Sano, T.Fujiwara, T.Mochiyama, K.Kurosawa, S.Sugita, Y.Sekine, W.Nishikanbara3 T.Matsui, S.Ohno, A.Shiroshita, K.Miyanishi, N.Ozaki, R.Kodama, A.M.Nakamura M.Arakawa, S.Fujioka, K.Shigemori
  • 雑誌名: Proceedings of APS Topical Conf.on Shock Compression of Condensed Matter 巻: 16 ページ: 875-877
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct measurements of chemical composition of shock-induced gases from calcite : an intense global warming after the Chicxulub impact due to the indirect greenhouse effect of carbon monoxide (2009)
  • 著者名/発表者名: Kawaragi, K., Y.Sekine, T.Kadono, S.Sugita, S.Ohno, K.Ishibashi, K.Kurosawa, T.Matsui, S.Ikeda
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 282 ページ: 56-64
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rotational-Temperature Measurements of Chemically Reacting CN using Band-Tail Spectra (2009)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa, K., S.Sugita, K.Fujita, K.Ishibashi, T.Kadono, S.Ohno, T.Matsui
  • 雑誌名: Journal of Thermophysics and Heat Transfer 巻: 23 ページ: 463-472
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectroscopic observations on CN radical production process due to oblique impacts : Thermodynamic states of impact- and laser-induced CN radicals (2009)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa, K., S.Sugita, S.Hasegawa, Y.Nagaoka, T.Matsui
  • 雑誌名: Proceedings of Lunar and Planetary Symposium 巻: 42 ページ: 146-149
• [雑誌論文] Effect of Spectral Quality on the Precision of Elemental Abundance Prediction Using Partial Least Squares Regression in Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: Ishibashi, K., S.Ohno, K.Wada, H.Senshu, M.Kobayashi, T.Arai, N.Namiki, T.Matsui, Y.Cho, S.Kamata, S.Sugita, Y.Iijima, S.Tazawa, H.Noda, S.Sasaki
  • 雑誌名: Proceedings of Lunar and Planetary Symposium 巻: 42 ページ: 141-145
• [雑誌論文] Toward Applications of LIBS to Planetary Explorations : Laser Energy Effects (2009)
  • 著者名/発表者名: Cho, Y., S.Sugita, K.Ishibashi, S.Ohno, S.Kamata, K.Kurosawa, Y.Sekine, T.Arai, M.Kobayashi, H.Senshu, K.Wada, N.Namiki, T.Matsui
  • 雑誌名: Proceedings of Lunar and Planetary Symposium 巻: 42 ページ: 135-140
• [学会発表] Ejecta size distribution from hypervelocity impact cratering of planetary materials (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Takasawa, A.M. Nakamura, T.Kadono, M.Arakawa, K.Dohi, S.Ohno, Y.Seto, M.Maeda, Y.Hironaka, T.Sakaiya, S.Fujioka, T.Sano, K.Shigemori, N.Machii, M.Setoh, T.Takeuchi
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference, XXXXI
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, (U.S.A.)
  • 年月日: 2010-03-04
• [学会発表] Roles of Shock-induced Ionization due to >10 km/s Impacts on Evolution of Silicate Vapor Clouds (2010)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa, K., S.Sugita, T.Kadono, K.Shigemori, T.Hironaka, N.Ozaki, A.Shiroshita, Y.Cho, T.Sakaiya, S.Fujioka, S.Tachibana, T.Cinci, R.Kodama, T.Matsui
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference, XXXXI
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, (U.S.A.)
  • 年月日: 2010-03-04
• [学会発表] Effects of laser energy of LIBS spectra (2010)
  • 著者名/発表者名: Cho, Y., S.Sugita, K.Ishibashi, S.Ohno, S.Kamata, K.Kurosawa, Y.Sekine, T.Arai, M.Kobayashi, H.Senshu, K.Wada, N.Namiki, T.Matsui
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference, XXXXI
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, (U.S.A.)
  • 年月日: 2010-03-04
• [学会発表] Has Titan's atmospheric N_2 been replenished from Crustal NH_3 Through Cometary Impacts? (2010)
  • 著者名/発表者名: Fukuzaki, S., Y.Sekine, S.Sugita, H.Genda, T.Kadono, T.Matsui
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference, XXXXI
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, (U.S.A.)
  • 年月日: 2010-03-04
• [学会発表] Effect of Spectral Quality on Laser-induced Breakdown Spectroscopy Measurements : The Precision of Elemental Abundance Prediction Using Partial Least Squares Regression (2010)
  • 著者名/発表者名: Ishibashi, K., S.Ohno, K.Wada, H.Senshu, M.Kobayashi, T.Arai, N.Namiki, T.Matsui, Y.Cho, Y.S.Kamata, S.Sugita, Y.Lijima, S.Tazawa, H.Nods, S.Sasaki
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference, XXXXI
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, (U.S.A.)
  • 年月日: 2010-03-04
• [学会発表] Impact Experiments with velocities higher than 10 km/s : Projectile acceleration methods (2009)
  • 著者名/発表者名: Kadono, T., T.Sakaiya, Y.Hironaka, K.Otani, T.Sano, T.Fujiwara, T.Mochiyama, S.Sugita, T.Matsui, A.M.Nakamura, M.Arakawa, S.Fujioka, K.Shigemori
  • 学会等名: The Sixth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications 2009
  • 発表場所: San Francisco, California, (U.S.A.)
  • 年月日: 2009-09-07
• [学会発表] Experimental Study on the Impact Crater Formed on the Layered Structure (2009)
  • 著者名/発表者名: Dohi, K., M.Arakawa
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society 6th Annual Meeting
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2009-08-14
• [学会発表] Projectile acceleration using a high-power laser to velocities higher than 10 km/s (2009)
  • 著者名/発表者名: Kadono, T., T.Sakaiya, Y.Hironaka, K.Otani, T.Sano, T.Fujiwara, T.Mochiyama, K.Kurosawa, S.Sugita, Y.Sekine, W.Nishikanbara, T.Matsui, S.Ohno, A.Shiroshita, K.Miyanishi, N.Ozaki, R.Kodama, A.M.Nakamura, M.Arakawa, S.Fujioka, K.Shigemori
  • 学会等名: The EGU General Assembly 2009
  • 発表場所: Vienna (Austria)
  • 年月日: 2009-04-21