大気の無い惑星模擬表層の熱慣性測定：惑星リモートセンシングへの応用

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26287108
• 研究機関: 独立行政法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 岡田 達明 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (30321566)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 熱物性 / 中間赤外カメラ / 太陽系小天体 / はやぶさ２ / 放射温度計 / 熱慣性 / 惑星表層物質 / 空隙率

研究実績の概要

本研究では大気の無い惑星表層における物質の熱物性を調べる実験的研究を行う。平成26年度においては、大気の無い惑星表層の物理状態と熱真空環境を模擬する実験系の構築を進めた。大気のない惑星表層では、試料は超高真空下かつ放射冷却環境下にある。また、太陽光照射量が時間変動する。一方、表層物質の地下数センチメートルでは温度はほぼ一定となる。これらの諸条件を模擬するため、真空槽内に試料を設置し、1)外部からの熱入力、2)外部からの赤外撮像観察、3)試料の下部では温度一定に制御するシステムを構築する。当初はLN2冷却系による温調方式を導入予定であったが、長期時間安定かつ冷媒不要なシステムを構築するために温調機能付の電気式冷凍機による粗温調、およびペルチェによる精温調に変更した。設計変更により完成時期がやや遅れたものの、年度内に装置をほぼ完成させ、試験運転を進めている。
熱物性観察は中間赤外（10μm）に中心波長をもつ熱赤外カメラによる撮像で行う。その赤外カメラの較正と撮像試験を進めた。これは小惑星探査機「はやぶさ２」搭載の観測システムTIRと同じ方式であるため、将来的に機上観測システムと地上実験システムの直接比較が可能になる。始原的小惑星の表層にあると想定される高空隙率物質の熱物性は未知であるため、本実験システムによる研究結果が、将来のリモートセンシングの結果評価に直接役立つと期待できる。平成26年度では観測システムの論文をまとめた（Hihara et al. 2014）。また、国内外の学会において熱物性実験および熱物性観測システムに関する研究発表を行い、議論を進めている（Okada et al., 2014; 2015）。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究では先ず、実験装置の構築が非常に重要である。その中で、試料の温調精度が結果に甚大な影響を及ぼすことが国内外の研究者との議論や、別途開発してきた熱赤外カメラの較正実験の中で分かってきた。当初、装置の温調には液体窒素を充填したシュラウドとの熱結合による冷却とヒータ加温とを基本として設計していた。このシステムだと、液体窒素の汲み取り時の状況や残存量によって変動することや、液体窒素の気化に伴う温度上昇が生じ、温調は容易ではない。そのため、0.2℃程度の温調機能付冷凍機を導入し、さらに試料取り付け部にはペルチェと白金温度センサによる微温調するシステムを採用することとした。実験装置の再設計に伴って装置の完成が年度末となり、現時点でも試験運転中である。但し、今後の実験で温調精度が向上したことにより、今後の実験環境は向上し、実験結果に対する好影響が期待される。本研究は５年計画であることから、計画全体としては問題ないものと判断している。

今後の研究の推進方策

本研究では、室内実験、モデリング、リモート観測の３項目を統合することにより、惑星表層熱物性についての理解の深化を目指す。
構築した実験系を用いた室内実験：実験装置が完成後には、粉末状試料（50μm，100μm，200μm，500μm，1mm）、砂礫状試料（1mm，2mm，5mm，10mm，20mm）、高空隙の岩塊状試料（天然岩石、焼結体）に対して、それぞれ粒度や平均密度、空隙率の違いによる熱慣性の差異を調べる実験を継続的に行う。また、熱疲労に伴う試料の熱物性の変化についても調査する予定である。
小惑星イトカワや小惑星地上観測データとの比較：探査機「はやぶさ」によって表層状態が観察された小惑星イトカワの高地（荒れ地）について，実験データを基にした表層物理状態モデルの整合性について議論する．イトカワや他の小惑星の表層物理状態についてまとめる．さらに、探査機「はやぶさ２」による観測データに対し、実験結果との比較研究により表層状態にたいする推測と形成過程について議論を行う。
その他：国内外の学会発表や学術論文発表によって本研究の成果報告を行う．また意見交換や試料交換を行うために、先行して惑星熱物性研究を進めている共同研究者のいるドイツ航空宇宙センターPEL に出張し，議論を行う．平成27年6月には、国際研究グループが主催する第2回惑星表層熱モデル研究会（TherMoPS-II）において、招待講演を行う予定である。それらの機会を通して本研究の完成度の向上につとめてゆく。

研究成果

• [雑誌論文] SpaceWire-based thermal-infrared imager system for asteroid sample return mission HAYABUSA2 (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Hihara, Kaori Iwase, Junpei Sano, Hisashi Otake, Tatsuaki Okada, Ryu Funase, Ryoichi Kashikawa, Isamu Higashino, and Tetsuya Masuda
  • 雑誌名: Journal of Applied Remote Sensing 巻: 8 ページ: 084897-1-13
  • DOI: 10.1117/1.JRS.8.084987
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] THERMAL-INFRARED IMAGER TIR ON HAYABUSA2 FOR OBSEVATION OF ASTEROID (162173) 1999JU3 (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, T. Fukuhara, S. Tanaka, M. Taguchi, T. Imamura, T. Arai, H. Senshu, Y. Ogawa, H. Demura, K. Kitazato, R. Nakamura, T. Kouyama, T. Sekiguchi, S. Hasegawa, T. Matsunaga, T. Wada, J. Takita, N. Sakatani, Y. Horikawa, S. Kuwano, J. Helbert, T. Mueller, A. Hagermann, et al.
  • 学会等名: 46th Lunar and Planetary Science Conference
  • 発表場所: The Woodlands, TX
  • 年月日: 2015-03-19
• [学会発表] 「はやぶさ２」搭載中間赤外カメラTIRの科学観測計画 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡田達明，福原哲哉，田中智，田口真，荒井武彦，今村剛，千秋博紀，出村裕英，小川佳子，北里宏平，関口朋彦，長谷川直，中村良介，神山徹，松永恒雄，和田武彦，滝田隼，坂谷尚哉，堀川大和，桑名翔平，Joern Helbert，Thomas Mueller，Axel Hagaermann，et al.
  • 学会等名: 日本惑星科学会秋季講演会
  • 発表場所: 東北大学片平さくらホール
  • 年月日: 2014-09-25
• [学会発表] Thermo-Physical Properties of Asteroid Investigated by Thermal Infrared Imager on Hayabusa2 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, T. Fukuhara, S. Tanaka, M. Taguchi, T. Arai, T. Imamura, R. Nakamura, H. Senshu, T. Sekiguchi, S. Hasegawa, Y. Ogawa, T. Matsunaga, T. Wada, K. Kitazato, H. Demura, J. Takita, N. Sakatani, Y. Horikawa, J. Helbert, T. Mueller, Hagermann, et al.
  • 学会等名: COSPAR 2014 General Assembly
  • 発表場所: Moscow
  • 年月日: 2014-08-08
• [学会発表] Thermal Infrared Imaging of C-class Asteroid by Hayabusa2 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, T. Fukuhara, S. Tanaka, M. Taguchi, T. Arai, T. Imamura, R. Nakamura, H. Senshu, T. Sekiguchi, S. Hasegawa, Y. Ogawa, T. Matsunaga, T. Wada, K. Kitazato, H. Demura, J. Takita, N. Sakatani, Y. Horikawa, J. Helbert, T. Mueller, Hagermann et al.
  • 学会等名: Asia-Oceania Geosciences Society Annual Meeting 2014
  • 発表場所: Sapporo
  • 年月日: 2014-08-01
• [学会発表] Thermal Infrared Imager TIR on Hayabusa2: Result of Ground Calibration (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, T. Fukuhara, S. Tanaka, M. Taguchi, T. Arai, T. Imamura, H. Senshu, T. Sekiguchi, Y. Ogawa, H. Demura, N. Sakatani, Y. Horikawa, J. Helbert, T. Mueller, A. Hagermann, et al.
  • 学会等名: Asteroids, Comets, Meteors 2014
  • 発表場所: Helsinki
  • 年月日: 2014-06-09
• [学会発表] 「はやぶさ２」搭載中間赤外カメラＴＩＲ：科学観測と地上較正 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡田達明, 福原哲哉, 田中智, 田口真, 荒井武彦, 今村剛, 千秋博紀, 出村裕英, 小川佳子, 関口朋彦,神山徹, 和田武彦, 滝田隼, 坂谷尚哉, 堀川大和、et al.
  • 学会等名: 地球惑星科学関連学会連合大会2014
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2014-04-28
• [備考] http://planetb.sci.isas.jaxa.jp/~okada/