大規模数値計算サーベイによる天体衝突破壊モデルの構築

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26287101
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 田中 秀和 北海道大学, 低温科学研究所, 准教授 (00282814)
• 研究分担者: 和田 浩二 千葉工業大学, 公私立大学の部局等, 研究員 (10396856) ; 玄田 英典 東京工業大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (90456260) ; 小林 浩 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40422761)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 惑星起源・進化 / 太陽系小天体 / 天体衝突破壊 / 数値流体計算

研究実績の概要

本研究の目的は、高解像度な天体衝突の数値計算を大量に実行しパラメータ空間をサーベイすることで、統一的かつ精度の高い天体衝突破壊モデルを構築することである．初年度（平成２６年度）は、パラメータ空間を粗くサーベイする計算を行った結果、以下の３つの結果を得た。これらの結果の一部は論文にまとめられ投稿中である。
(1) SPH計算の解像度：破片総質量や速度分布を精度よく得るためには、衝突天体質量比が100倍と大きい場合には1千万粒子程度を用いた計算が必要であることが明かになった．例えば、大規模破壊を起こすのに必要な臨界衝突エネルギーは、１千万粒子を用いた計算により１０％強の誤差範囲内で決まる。誤差は、粒子数の-1/3乗に比例し小さくなることも計算結果から明かになった。
(2) 衝突破壊の衝突天体質量比依存性：天体質量比が十分大きいクレータ破壊の場合、破片総質量は天体質量比に比例する。これに対し、衝突エネルギーが大規模破壊のための臨界値の５％以上となると、破片総質量の天体質量比依存性は1.5乗程度に強くなることが明らかになった。これは、ターゲット天体が有限の曲率を持つために破壊し易くなったと説明できる。
(3) 天体強度破壊によるエネルギー散逸：本研究で用いているSPH流体計算コードには、重力が支配する100km以上の天体サイズに対して用いるため、天体強度の効果を無視していた。しかしながら、従来の他の研究結果との比較より、天体強度破壊によるエネルギー散逸は、重力支配天体においても破片総質量を大幅に減少させる効果があることが明かになった。

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

H26年度の結果より、数値計算で必要となる解像度や、計算パラメータ範囲などが明らかとなり、その点では本格的なサーベイ計算の準備が進んだ。一方、天体強度の効果をSPH計算に新たに取り入れる改善が必要であることも分かった。全体的にはおおむね順調に進んでいると判断できる。

今後の研究の推進方策

H26年度の結果を踏まえて、パラメータ空間を本格的にサーベイする計算は、１千万粒子を用いて行う。天体質量比が十分大きい場合である平面衝突からずれ始める衝突エネルギーもわかったので、ずれが起こる領域を重点的に調べる。100km以上の天体サイズに対しても天体強度破壊によるエネルギー散逸が重要であることが分かったので、本SPH流体計算コードに、メッシュ流体計算法で用いられている脆性破壊におけるエネルギー散逸の記述手法を導入し改善する。この改善を行った上で、天体衝突の本格的な第2サーベイの計算を実施する.
第2サーベイの計算結果から、天体破壊を議論する上で重要となる、破片総質量、破片サイズ分布、速度分布の3つの量に着目し、これらに関する衝突条件の各パラメータに対する依存性を明らかにし、経験式を作成する.

次年度使用額が生じた理由

本研究の補助金交付額が申請額より削減されため、H２６年度には研究員の雇用をせず、２７、２８年度の2年間で雇用することとした。そのため、２６年度に交付された基金の一部を２７、２８年度へそれぞれ繰り越すこととした。

次年度使用額の使用計画

平成２７年度以降は、当初の計画通り26年度の結果をもとに，衝突数値計算の本格的なパラメータサーベイを行い、天体衝突モデルの構築を行う。そのために、学術研究員を雇用し人員を補強する。

研究成果

• [雑誌論文] Formation of Phobos and Deimos via a giant impact (2015)
  • 著者名/発表者名: Citron, R. I., Genda, H. and Ida, S.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 252 ページ: 334-338
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2015.02.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] 粒子衝突過程を分子動力学計算で観る (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中秀和
  • 雑誌名: アンサンブル 巻: 17(1) ページ: 14-19
• [雑誌論文] The Multifaceted planetesimal Formation Process (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Johansen, J. Blum, H. Tanaka, C. Ormel, M. Bizzarro, and H. Rickman
  • 雑誌名: Protostars and Planets 巻: 6 ページ: 547-570
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] REVISITING JOVIAN-RESONANCE INDUCED CHONDRULE FORMATION (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Nagasawa, K. K. Tanaka, H. Tanaka, T. Nakamoto, H. Miura, and T. Yamamoto
  • 雑誌名: Astrophysical Journal Letters 巻: 794 ページ: L7(5pp)
  • DOI: 10.1088/2041-8205/794/1/L7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Opacity of fluffy dust aggregates (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Kataoka, S. Okuzumi, H. Tanaka, and H. Nomura
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 568 ページ: A42(15pp)
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201323199
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact chemistry of methanol: Implications for volatile evolution on icy satellites and dwarf planets, and cometary delivery to the Moon (2014)
  • 著者名/発表者名: Sekine, Y., Genda, H., Muto, Y., Sugita, S., Kadono, T. and Matsui, T.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 243 ページ: 39-47
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2014.08.034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Debris disc formation induced by planetary growth (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kobayashi, Torsten Loehne
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 442 ページ: 3266-3274
  • DOI: 10.1093/mnras/stu1073
  • 査読あり
• [雑誌論文] N-BODY SIMULATIONS OF TERRESTRIAL PLANET FORMATION UNDER THE INFLUENCE OF A HOT JUPITER (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Ogihara, Hiroshi Kobayashi, Shu-ichiro Inutsuka
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 787 ページ: 172(16pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/787/2/172
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crater-ray formation by impact-induced ejecta particles (2014)
  • 著者名/発表者名: Kadono, T., Suzuki, A. I., Wada, K., Mitani, N. K., Yamamoto, S., Arakawa, M., Sugita, S.,Haruyama, J., and Nakamura, A. M.,
  • 雑誌名: Icarus 巻: 250 ページ: 215-221
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2014.11.030
  • 査読あり
• [雑誌論文] An examination of collisional growth of silicate dust in protoplanetary disks (2014)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, T., Kadono, T., and Wada, K.
  • 雑誌名: Astrophysical Journal Letter 巻: 783 ページ: L36(4pp)
  • DOI: 10.1088/2041-8205/783/2/L36
  • 査読あり
• [学会発表] Dust Growth and Planetesimal Formation in Protoplanetary Disks (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中秀和
  • 学会等名: 平成26年度系外惑星大研究会
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2015-03-02 – 2015-03-03
• [学会発表] Fluffy Dust Growth and Planetesimal Formation (2014)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: German-Japanese meeting on Exo-Planets and their formation
  • 発表場所: MPI-Astronomy, Heidelberg, Germany
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-11-07
  • 招待講演
• [学会発表] Gollisions in Extrasolar System (2014)
  • 著者名/発表者名: Genda, H.
  • 学会等名: German-Japanese Meeting, Exo-Planets and their Formation
  • 発表場所: MPI-Astronomy, Heidelberg, Germany
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-11-07
  • 招待講演
• [学会発表] Importance of Collisional Fragmentation in Planet Formation (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: German-Japanese Meeting, Exo-Planets and their Formation
  • 発表場所: MPI-Astronomy, Heidelberg, Germany
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-11-07
  • 招待講演
• [学会発表] モノマーサイズ分布のあるダストアグリゲイトの衝突とイジェクタ量 (2014)
  • 著者名/発表者名: 和田浩二，田中秀和，小林浩，奥住聡，木村宏
  • 学会等名: 日本惑星科学会2014 年秋季講演会
  • 発表場所: 東北大学(宮城県仙台市）
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] Hot debris disks formation caused by giant impacts for terrestrial planet formation (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kobayashi, Hidenori Genda, Ei-ichiro Kokubo
  • 学会等名: The 7th meeting on Cosmic Dust
  • 発表場所: 大阪産業大学（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [学会発表] Ejecta Mass at Collisions of Dust Aggregates (2014)
  • 著者名/発表者名: Koji Wada
  • 学会等名: The 7th meeting on Cosmic Dust
  • 発表場所: 大阪産業大学（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [学会発表] Formation and Early Evolution of Atmosphere and Ocean (2014)
  • 著者名/発表者名: Genda, H., Hamano, K. and Abe, Y.
  • 学会等名: Goldschmidt Conference
  • 発表場所: Convention Center, Sacramento, California, USA
  • 年月日: 2014-06-08 – 2014-06-13
  • 招待講演
• [学会発表] Giant Impacts and Terrestrial Planet Formation (2014)
  • 著者名/発表者名: Genda, H.
  • 学会等名: Goldschmidt Conference
  • 発表場所: Convention Center, Sacramento, California, USA
  • 年月日: 2014-06-08 – 2014-06-13
  • 招待講演
• [学会発表] 微惑星の大きさと原始惑星系円盤の乱流との関係について (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林浩，田中秀和，奥住聡
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2014-04-28 – 2014-05-02
• [学会発表] はやぶさ２小型搭載型衝突装置による科学 (2014)
  • 著者名/発表者名: 和田浩二，SCI チーム，DCAM3 チーム
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2014-04-28 – 2014-05-02
  • 招待講演