2014年年度度前期 第2回衝突勉強会
テーマ：ダストの付着成⻑⾧長

2014/06/27

Free collisions in a microgravity many-particle
experiment – II:
The collision dynamics of dust-coated chondrules
E. Beitz, C. Güttler, R. Weidling, J. Blum
Icarus 218 (2012) 701–706
神⼾戸⼤大学⼤大学院 理理学研究科
M2 原⽥田竣也

はじめに• 隕⽯石中のコンドリュール¾ 原始太陽系星雲内で早い時期に形成¾ 普遍的に存在し，微惑星の形成に強く関与• コンドリュールの周りはダスト層に覆われており(Metzler et al., 1992)，星雲内でのダスト粒粒⼦子の集積を記録している可能性¾ ダスト層がコンドリュールの衝突現象や，微惑星形成に影響• コンドリュールの形成仮定は議論論中¾ ダスト凝集体の全てがコンドリュールになったわけではなく，⼆二つが共存していたと考えられる

先⾏行行研究• mmサイズ粒粒⼦子の付着速度度 → ⾮非常に速度度が⼩小さく理理解されていない• Güttler et al. (2010) – ダスト凝集体の衝突実験結果から，付着・反発・破砕とダストの質量量・空隙率率率・衝突速度度の関係を⽰示す¾ mmサイズでは1 mm/s 程度度以下で付着円盤内の予測衝突速度度はcm/s程度度(Weidenschilling and Cuzzi 1993)1010

先⾏行行研究• Weidling et al. (2012) (Paper1) – ダスト凝集体(mmサイズ)同⼠士の衝突実験をThornton and Ning (1998)の付着モデルと⽐比較¾ ~1 mm/s で付着し，計算でも⽰示される• Zsom et al. (2010) –モデル計算を
Güttler et al.に適⽤用¾ ダスト凝集体が成⻑⾧長すると反発が⽀支配的に→成⻑⾧長を阻害• 共存すると考えられるコンドリュールとダスト凝集体とでは？
• コンドリュールリムを持った粒粒⼦子の場合は？

研究の概要と⽬目的• コンドリュールのダスト層やダスト凝集体の衝突の影響を調べるため，mmサイズの粒粒⼦子同⼠士の低速度度衝突実験を⾏行行う¾ これまで例例の少ないmmサイズ粒粒⼦子同⼠士の衝突実験を⾏行行い，衝突による付着速度度を求める¾ 原始太陽系円盤内で共存していたと考えられるダスト凝集体とコンドリュールの衝突現象を実験的に調べる¾ コンドライト隕⽯石に⾒見見られる，コンドリュールリムを模擬した
mmサイズの試料料を作成し，その衝突への影響を調べる¾ 結果を衝突モデルと⽐比較し，モデルの妥当性を調べる

実験⽅方法• ダスト層形成実験

ダスト凝集体𝜙 = 0.35 ± 0.05
ダスト層(リム)
0.35 ≤ 𝜙 ≤ 0.58

ダスト層(リム)𝜙 = 0.18 ± 0.05
ガラスビーズ
2 or 3 mm• 複数粒粒⼦子衝突実験
粒粒⼦子直径が2 mmあるいは3 mmをそれぞれダスト層模擬物

ダスト凝集体とガラスビーズ

実験⽅方法 - ダスト層形成実験• コンドリュールとその周囲のダスト層を模擬¾ ガラスビーズ(2–3 mm)の周囲にダストをコーティングする¾ ダストはいずれも単分散のSiO2粒粒⼦子(﴾1.5 μm)﴿① 漏漏⽃斗の下からSiO2粒粒⼦子を含むガスを送り，浮遊しているガラスビーズに付着させる
コーティング時間: 60-120 s
リム充填率率率：𝜙 = 0.18 ± 0.05
② ガラスビーズとダスト凝集体を⼊入れた容器をある時間振動させ，低速衝突させる

リム充填率率率：0.35 ≤ 𝜙 ≤ 0.58

リムの性質• リムの体積は，回転盤上の試料料を撮影
粒粒⼦子の最⼤大・最⼩小径を計測し，楕円盤の積み重ねとして体積を計算① 𝜙 = 0.18 ± 0.05
コーンティング時間のリムは1秒間に0.6 μm厚くなる
実験にはコーティング時間60-90 s，リム厚さ約50 μmを使⽤用①0.35 ≤ 𝜙 ≤ 0.58
表⾯面が凸凹し，正確に体積を測定できない¾ ダスト凝集体の充填率率率: 0.35 (Weidling et al., 2012)¾ 凝集体の圧縮の最⼤大充填率率率: 0.58 (Güttler et al., 2009)

これらの間の充填率率率とする• いずれもコーティング時間による充填率率率の変化は無かった

実験⽅方法• 複数粒粒⼦子衝突実験
粒粒⼦子直径が2 mmあるいは3 mmをそれぞれダスト凝集体
or ダスト層(リム)0.35 ≤ 𝜙 ≤ 0.58
ダスト層(リム)𝜙 = 0.18 ± 0.05

ダスト凝集体とガラスビーズ

ガラスビーズ
2 or 3 mm
ダスト層模擬物

実験⽅方法 - 複数粒粒⼦子衝突実験• ブレーメン落落下塔¾ ⾼高さ146 m，9.3秒間無重⼒力力状態に• 直径25 mmのガラスチューブ内に粒粒⼦子を⼊入れ，無重⼒力力状態での衝突を観察¾ チューブ内は~0.1 Paに減圧¾ ⾼高速ビデオカメラ，ビームスプリッタ使⽤用¾ 底の偏⼼心輪輪で振動を励起，振幅1 mm• ダスト層模擬物：充填率率率・サイズごとの組み合わせで四度度実験，粒粒⼦子数60-140個• ガラスビーズ-ダスト凝集体(2 mm)：

⼀一回，粒粒⼦子数 40 : 95

実験⽅方法 - 複数粒粒⼦子衝突実験

実験 - 複数粒粒⼦子衝突実験

実験結果 - 付着率率率• 衝突速度度及び付着か反発のどちらが起きたかを調査
リム密度度観測した衝突の付着率率率(0 or 1)
2 km/s間隔での付着確率率率の平均

粒粒⼦子
直径

• ダスト層模擬物同⼠士① 低速度度ほど② ⼩小粒粒⼦子ほど③ 低充填率率率ほど付着しやすい実験結果 - 付着率率率• ガラスビーズとダスト凝集体衝突実験の付着率率率

観測した衝突の付着率率率(0 or 1)

2 km/s間隔での付着確率率率の平均• こちらも低速度度ほど付着しやすい• 同じ物同⼠士の付着は⾒見見られなかった

実験結果 - 集合体の形成• ダスト層模擬物実験後，⼀一部粒粒⼦子が⼀一つの集合体を形成• 集合体への粒粒⼦子の衝突¾ 粒粒⼦子ごとの衝突よりも付着効率率率が⾼高められているように⾒見見える¾ 突出した粒粒⼦子に衝突し集合体粒粒⼦子の位置が変わるため？

2.7 cm/sで衝突• 集合体は約2 cm，60-70個の模擬粒粒⼦子からなる• 集合体の形成はガラスビーズとダスト凝集体との衝突実験でも⾒見見られる

付着モデルとの⽐比較• Thornton and Ning (1998)のモデルの付着速度度 𝑣𝑣

=∝ 𝑟

⁄

𝜌

⁄

• 𝑟 = 0.5  mm, 𝜌 = 70  kg/m のダスト凝集体同⼠士の衝突実験の場合(Weidling et al., 2012)¾ 付着確率率率50%の時 𝑣= 1.8  mm/s → 妥当な結果• 今回の条件 𝑟 = 1  mm, 𝜌 = 250  kg/m で計算すると，Weidling et al.と⽐比べて1⁄3.4 ⼩小さい値となる¾ 今回のダスト層模擬物：モデル式 𝑣
実験では 𝑣= 0.5  mm/s
≈ 1  cm/s• モデルは不不適合，ダストへの貫⼊入の塑性変形を加える必要がある

ダストの成⻑⾧長• 今回の付着速度度はmmサイズ粒粒⼦子に強く関係する．
• 原始太陽系円盤の，1 AUでのダスト凝集体同⼠士の相対速度度¾ ⾼高密度度 ：半径1 cmの粒粒⼦子は1 cm/s 以下(Desch 2007)¾ 最⼩小質量量：mmサイズの粒粒⼦子は 1 cm/s のオーダー(Weidenschilling 1977; Andrews and Williams 2007)→ cmサイズの集合体形成は妥当とみられる• 新たなエネルギー散逸の効果（粒粒⼦子の位置の変化）→さらなる成⻑⾧長• ガスよりもダストの⽐比率率率が⾼高い領領域でコンドリュールが形成(Alexander et al., 2008) され，このような領領域では相対速度度が減少し，さらに成⻑⾧長するまとめ• ガラスビーズ，ダスト層を持つガラスビーズ，ダスト凝集体を衝突させた結果，衝突速度度約8 cm/s以下で粒粒⼦子間の付着が⾒見見られた¾ ガラスビーズ同⼠士やダスト凝集体同⼠士の先⾏行行研究より速い• ガラスビーズの慣性と，ダストの可変性の良良い組み合わせ¾ 衝突エネルギーをうまく散逸させ，接触⾯面を増やす• cmサイズの集合体が形成され，これは原始太陽系円盤での実験がダストで覆われたコンドリュールで⾏行行われたことを⽰示す• ダスト凝集体だけでは付着が⽣生じず，コンドリュールは微惑星形成において鍵となりうる• どのように集合体が安定し，粒粒⼦子サイズやダストの組成，熱史といったパラメータがどう影響してるかを調べていく