超高強度レーザー衝撃実験による惑星形成過程の解明

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24244071
• 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: 荒川 政彦 神戸大学, 理学研究科, 教授 (10222738) ; 中村 昭子 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (40260012) ; 門野 敏彦 産業医科大学, 医学部, 教授 (60359198) ; 杉田 精司 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (80313203) ; 黒澤 耕介 千葉工業大学, 惑星探査研究センター, 研究員 (80616433)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 天体衝突物理学 / 状態方程式 / 惑星初期進化 / 高速分光学 / 固体物性 / 固体惑星初期大気 / 超高強度レーザー / 大気の起源

研究概要

本計画は、惑星成長の最終期に起きる高速衝突過程の実証的解明を目的としている。大型レーザー「激光XII号」を用いて、珪酸塩鉱物の衝撃圧縮実験を進めてきた。本年度はこれまでに取得してきたデータを整理し、1.2 TPa(珪酸塩同士の30 km/s衝突に相当)までの密度-圧力-温度-エントロピー平面上のHugoniot曲線を構築した。天体衝突で発生した珪酸塩蒸気が熱平衡を保ちつつ断熱膨張すると仮定すると、エントロピーマッチング法を用いることで解放後の珪酸塩蒸気の質量や膨張エネルギーを算出することができる。この方法を用いて（1）天体衝突による惑星大気吹き飛ばし効率の推定、（2）生成される化学種の衝突速度依存性を調べた。その結果（1）惑星集積末期の頻発する天体衝突によって原始地球及び火星は初期にもっていた原始大気を全て失ってしまう可能性が高いこと、(2)衝突後の酸素生成率は衝突速度にきわめて強く依存し、~30 km/sの超高速衝突が起こると無生物地球に過渡的な酸素に富む大気が形成される可能性があること、が明らかとなった。これらの結果は地球及び火星の少なすぎる希ガス存在度や火星隕石の酸素同位体分析から示唆される過去の火星のオゾン層の存在と調和的である。
また千葉工業大学惑星探査研究センターに設置された二段式軽ガス銃を新たに整備した。“Impact jetting”と呼ばれる局所的にエネルギーが集中する現象を利用すれば、二段式軽ガス銃で珪酸塩蒸気の熱力学挙動を詳細に調べることが可能である。今年度は科研費によって導入した世界最高速ビデオカメラを用いてジェッティング現象を計測する技術を確立し、ジェット速度の系統的データを得た。得られたデータから斜め球衝突で発生するジェットを記述する物理モデルを考案し、来年度の珪酸塩蒸気計測に備えている。

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

本年度までに激光XII号を用いて、30km/s以下の衝突速度で得られる衝撃圧縮状態にあるカンラン石の温度、圧力、エントロピーをユゴニオ曲線に沿って得ることができたことが、現在までの達成度を評価する上で最も重要である。この情報があれば、天体衝突によって生じた衝撃加熱量を正確に計算できるわけで、衝撃圧縮段階に続く膨張加速段階の研究に移行することができる準備が整ったと言える。
さらに、平成２６年度の実験で必要になる衝突蒸気雲のＸ線シャドウグラフ撮像の予備実験に成功したことも重要な成果である。このＸ線シャドウグラフ撮像自体は、新しい撮像原理ではない。しかし、今研究のようなシリケイトの宇宙速度衝突現象の撮像には用いられたことがなく、有効性については不明の点が極めて多い状況であった。今年度の実験の成功により、今後の実験で実際に利用できることが明確になったという点で非常に大きな進捗であると考えている。

今後の研究の推進方策

今後は、今年度までに得られたデータ（ユゴニオ曲線上の熱力学データ）および実験技術（主にＸ線シャドウグラフ撮像法）に基づいて、衝撃圧縮後のプロセス解明に力点を置いた研究に移行していく。具体的には、レーザーで衝撃圧縮された試料が膨張加速する過程の詳細計測を行うことを主題とする。そこでは、大阪大学の激光XII号と千葉工大の二段式水素ガス銃を、速度領域に応じて使い分けながら実験を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Gas recovery experiments to determine the degree of shock-induced devolatilization of calcite, Shock Compression of Condensed Matter (2014)
  • 著者名/発表者名: Ohno, S., K. Ishibashi, T. Sekine, K. Kurosawa, T. Kobayashi, S. Sugita, and T. Matsui
  • 雑誌名: AIP Conference Procedings 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of sulphate-rich vapour during the Chicxulub impact and implications for ocean acidification (2014)
  • 著者名/発表者名: Ohno, S. T. Kadono, K. Kurosawa, T. Hamura, T. Sakaiya, K. Shigemori, Y. Hironaka, T. Sano, T. Watari, K. Otani, T. Matsui and S. Sugita
  • 雑誌名: Nature Geoscience 巻: 7 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1038/NGEO2095
  • 査読あり
• [雑誌論文] A formation mechanism for concentric ridges in ejecta surrounding impact craters in a layer of fine glass beads (2014)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, A., Nakamura, A. M., Kadono, T., Wada, K., Yamamoto, S., and Arakawa, M.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen cyanide production due to mid-size impacts in a redox-neutral N2-rich atmosphere (2013)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa, K., S. Sugita, , K. Ishibashi, S. Hasegawa, Y. Sekineb, N. O. Ogawa, T. Kadonoe, S. Ohno, N. Ohkouchi, Y. Nagaoka, and T. Matsui
  • 雑誌名: Origin and Evolution of Life and Biosphere 巻: 4 ページ: 221-245
  • DOI: 10.1007/s11084-013-9339-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxidation of carbon compounds by silica-derived oxygen within impact-induced vapor plumes (2013)
  • 著者名/発表者名: Ishibashi, K., S. Ohno, S. Sugita, T. Kadono, and T. Matsui
  • 雑誌名: Earth Planets and Space 巻: 65 ページ: 811-822
  • DOI: 10.5047/eps.2012.12.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of a Polyimide Surface Layer on the Piezoelectric Response of Lead-Zirconate-Titanate Cosmic Dust Detector (2013)
  • 著者名/発表者名: Hattori, M., M. Kobayashi, T. Miyachi, S. Takechi, O. Okudaira, T. Iwai, N. Okada, S. Sugita
  • 雑誌名: Japan Journal of Applied Physics 巻: 52 ページ: 028002
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.028002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dust detector using piezoelectric lead zirconate titanate with current-to-voltage converting amplifier for functional advancement (2013)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi, M., T. Miyachi, M. Hattori, S. Sugita, S. Takechi, and N. Okada
  • 雑誌名: Earth Planets and Space 巻: 65 ページ: 167-173
  • DOI: 10.5047/eps.2012.08.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact experiments on capture of exotic grains by highly porous primitive bodies (2013)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, T., A. M. Nakamura, S. Hasegawa, K. Kurosawa, K. Ikezaki, A. Tsuchiyama
  • 雑誌名: Icarus 巻: 224 ページ: 209-217
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2013.02.023, 2013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact and intrusion experiments on the deceleration of low-velocity impactors by small-body regolith. (2013)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, A. M., Setoh, M., Wada, K., Yamashita, Y., and Sangen, K.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 223 ページ: 222-233
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2012.11.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laboratory experiments on crater scaling-law for sedimentary rocks in the strength regime (2013)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, A., Hakura, S., Hamura, T., Hattori, M., Hayama, R., Ikeda, T., Kusuno, H., Kuwahara, H., Muto, Y., Nagaki, K., Niimi, R., Ogata, Y., Okamoto, T., Sasamori, T., Sekigawa, C., Yoshihara, T., Hasegawa, S., Kurosawa, K., Kadono, T., Nakamura, A. M., Sugita, S., and Arakawa, M.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 117 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1029/2012JE004064
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cratering experiments on the self armoring of coarse-grained granular targets (2013)
  • 著者名/発表者名: Guettler, C., Hirata, N., and Nakamura, A. M.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 220 ページ: 1040-1049
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2012.06.041
  • 査読あり
• [雑誌論文] The dynamical evolution of dwarf planet (136108) Haumea's collisional family: General properties and implications for the trans-Neptunian belt (2013)
  • 著者名/発表者名: Lykawka, Patryk Sofia, Horner, Jonathan, Mukai, Tadashi. and Nakamura, Akiko M.
  • 雑誌名: Monthly Notices of Royal Astronomical Society 巻: 421 ページ: 1331-1350
  • DOI: 10.1111/j.1365-2966.2011.20391.x
  • 査読あり
• [雑誌論文] A formation mechanism for concentric ridges in ejecta surrounding impact craters in a layer of fine glass beads (2013)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, A. I., Nakamura, A. M., Kadono, T., Wada, K., Yamamoto, S., & Arakawa, M.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 225 ページ: 298-307
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2013.03.027
  • 査読あり
• [学会発表] Ultrafast Imaging Observations of the Impact Jetting during Oblique Impacts (2014)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa, K., Y. Nagaoka, S. Hasegawa, S. Sugita, and T. Matsui
  • 学会等名: 45th Lunar and Planetary Science Conference
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, USA
  • 年月日: 20140317-20140321
• [学会発表] Principal-Component Analysis of the Continuous 3-μm Spectra of Low-Albedo Asteroids Observed with the Akari Satellite (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamura, N., S. Sugita, S. Kamata, F. Usui, T. Hiroi, T. Ootsubo, T. G. Muller, I. Sakon, and S. Hasegawa
  • 学会等名: 45th Lunar and Planetary Science Conference
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, USA
  • 年月日: 20140317-20140321
• [学会発表] Spectroscopic Observations of Dark Main-Belt Asteroids in The 2.6-3.1μm Range with the Akari Satellite (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamura, N., S. Hasegawa, F. Usui, T. Hiroi, T. Ootsubo, T. G. Muller, and S. Sugita
  • 学会等名: 45th Lunar and Planetary Science Conference
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, USA
  • 年月日: 20140317-20140321
• [学会発表] Impact Generation of Methane-Rich Atmospheres on Early Terrestrial Planets (2014)
  • 著者名/発表者名: Kuwahara, H. and S. Sugita
  • 学会等名: 45th Lunar and Planetary Science Conference
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, USA
  • 年月日: 20140317-20140321
• [学会発表] An Experimental Study of Shock-induced Devolatilization of Calcite: Dependence on the Ambient Pressure (2014)
  • 著者名/発表者名: Ohno, S., K. Ishibashi, T. Sekine, K. Kurosawa, T. Kobayashi, S. Sugita and T. Matsui
  • 学会等名: 45th Lunar and Planetary Science Conference
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, USA
  • 年月日: 20140317-20140321
• [学会発表] Spectral Evolution Tracks of S-Type Asteroids Suggested by Principal Component Analysis of Multi-Band Images of Itokawa (2014)
  • 著者名/発表者名: Koga, S., S. Sugita, S. Kamata, M. Ishiguro, T. Hiroi, S. Sasaki
  • 学会等名: 45th Lunar and Planetary Science Conference
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, USA
  • 年月日: 20140317-20140321
• [学会発表] Development of an In-Situ K-Ar Isochron Dating Method 2: Validation Measurements with Natural Rocks (2014)
  • 著者名/発表者名: Cho, Y., Y. N. Miura, and S. Sugita
  • 学会等名: 45th Lunar and Planetary Science Conference
  • 発表場所: The Woodlands, Texas, USA
  • 年月日: 20140317-20140321