宇宙内ダストの非晶質シリケイトの低温結晶化モデル
田中 今日子、山本哲生（北大）、木村宏（神戸大）

非晶質シリケイトの結晶化問題
 彗星中の結晶シリケイトの発見

低温領域で結晶シリケイトが高い結晶化率 0.1-0.7（eg. Campins and Ryan 1989) 何故存在？
 原始惑星系円盤（eg. Honda et al. 2003,Okamoto et al.2004)
 結晶質シリケイトはLuminosity,disk mass accretion rate とは相関なし⇒ 中心星付近での結晶化＋外側への輸送では説明できない（Watson et al. 2009)
 晩期星（AGB星）の周りのダストシェル
低温領域(<300K)で結晶質を発見 （Waters et al. 1996,Molster 1999)
 ULIRGｓ(ultraluminous infrared galaxies)でも低温領域で観測（Spoon et al. 2006)
低温結晶化プロセスの必要性

化学反応熱による低温結晶化(Yamamoto & Chigai 2005, Yamamoto et al.)星間分子雲

 紫外線、宇宙線照射

コアーマントル型
アモルファスシリケイト⇒ラジカル分子が生成、凍結 温度上昇又は反応分子数の宇宙線
UV
増加⇒反応が引き起こされる
 温度上昇が加速*
 シリケイトの結晶化
heat
*
*

*
*

アモルファスシリケイト*

H2O COSi CH3CH4 HOH

結晶シリケイト化学反応熱による低温結晶化(Yamamoto & Chigai 2005, Yamamoto et al.)星間分子雲

 紫外線、宇宙線照射

コアーマントル型
アモルファスシリケイト⇒ラジカル分子が生成、凍結
これまでの研究の問題点：
CO・
結晶化時間∝exp(E/kT)
H2O
 温度上昇又は反応分子数の宇宙線
Si CH3
T>融点の場合でも結晶化 UV
CH4 H OH
増加⇒反応が引き起こされる活性化エネルギーE：求めていない↓ 改良
 温度上昇が加速
本研究：* シリケイトの結晶化
heat**
低温結晶化過程のモデル化⇒結晶化条件**アモルファスシリケイト

結晶シリケイト*シリケイトの結晶化実験
実験１：アモルファスフォルステライトの結晶化：～1000K

アモルファス
結晶質シリケイト
シリケイト(Hollenbeck and Nuth 1999, Fabian et al. 2000, Kamitsuji et al. 2005）

実験２：アモルファスフォルステライト＋アモルファスカーボンの結晶化：

873K

アモルファスアモルファス
結晶質シリケイト
シリケイト
シリケイト

(Kaito et al. 2007a ）① 結晶化における活性化エネルギーを決定

実験３：アモルファスフォルステライト＋アモルファスカーボン（＋メタンガス圧下）の結晶化： 常温（Kaito et al. 2007b ）② 実験の再現と統一的な理解、結晶化条件** アモルファス** シリケイト***

結晶化モデル粒子の熱進化

空気との熱交換h輻射

a潜熱4πdT 4π⎡⎣(a + h)3 − a 3 ⎤⎦ ε − Λ air − Λ rad + H c + H si
( a + h)3 ρ c p=3dt
3Er n A 0dn A⎧ t⎫
Er =exp⎨− ⎬ ：マントル中の熱発生率
ε =−dtτ⎩ τ⎭
τ 反応時間、Ｅｒ 反応熱

結晶成長

ｎＡ０ 反応分子初期数密度パラメータdac⎧ Ec ⎫ ⎛⎧ qc Δ T ⎫ ⎞= a0ν exp ⎨ −⎬ ⎜ 1 − exp ⎨ −2 ⎬ ⎟ E ：アモルファスカーボンdt⎩ kT ⎭ ⎝⎩ kT ⎭ ⎠ ｃの活性化エネルギー
daSi⎧ ESi ⎫ ⎛⎧ qSi ΔT ⎫ ⎞ E ：アモルファスシリケイト= a0ν exp ⎨−si
⎬ ⎜1 − exp ⎨−2 ⎬⎟dt
⎩ kT ⎭ ⎝⎩ kT ⎭ ⎠の活性化エネルギー
Tanaka et al.

実験１：活性化エネルギーEsiの導出

アモルファス
シリケイト

1000

Fabian et al. 2000

結晶化時間[s]1

Kamitsuji et al. 2005

Esi/k=39000K
for solid

Esi/k=39000 K

Esi/k=23000K
for liquid

Esi/k=40000 K

結晶質シリケイト

10-3
Esi/k=37000 K
1000

温度 [K]

2000(Tanaka et al.2007)

実験２の再現 ：化学反応なし
2000

潜熱

融点

アモルファスシリケイト

結晶質シリケイト

Ｔ ［Ｋ］
1000
Si全体が結晶化

結晶層厚み
l [ｃｍ]

カーボンの結晶化
シリケイトの結晶化
10-610-800.1t ［s］

初期温度 873K⇒アモルファスカーボンの結晶化⇒潜熱により温度上昇し融解⇒融点以下に冷却⇒アモルファスシリケイトの結晶化

実験２：活性化エネルギーEcの導出
3000

Ec=21000K

2000

Ec=25000K

T
1000873Kでアモルファス
CとSiの両方結晶化

Ec=23000K0
10 -5SiSi

10 -6l

10 -7

10 -8
10 -4773Kでアモルファス

3000

Si結晶化しない

2000

CCC
10 -2

10 0t [s]10 -4Ec=21000K

10 -2

10 0t [s]

10 -4

10 -2

10 0t [s]Ec=25000K

Ec=23000K

1000

0
10 -5

Si

10 -6
10 -7
10 -8
10 -4

10 -2

CCC
10 0t [s]

10 -4

10 -2

10 0t [s]

10 -4

10 -2

10 0t [s]

実験２：活性化エネルギーEcの導出
3000

Ec=21000K

2000

Ec=25000K

T1000873Kでアモルファス
CとSiの両方結晶化

Ec=23000K

010 -5SiSi

10 -6

l

10 -7

10 -8
10 -4773Kでアモルファス

3000

Si結晶化しない

2000

CCC
10 -2

10 0t [s]10 -4Ec=21000K

10 -2

10 0t [s]

10 -4

10 -2

10 0t [s]Ec=25000K

Ec=23000K

1000

010 -521300K<Eｃ<23600K⇒ Ec=23000K

Si

10 -6
10 -7

10 -8
10 -4

10 -2

CC

C
10 0t [s]

10 -4

10 -2

10 0t [s]

10 -4

10 -2

10 0t [s]

* アモルファス** シリケイト *****

実験３の再現：
化学反応がある場合
Ｔ ［Ｋ］

潜熱

2000

空気との熱交換反応熱

アモルファスシリケイトの結晶化

ｎＡ０Er＝102７ Kcm-3
τ＝５×10-8s

一部のみの結晶化
0

結晶層の10-6
厚み[cm]

カーボンの結晶化
シリケイトの結晶化

2７ Kcm-310-8
制約条件：Q=ｎEr/k＞10-8Ａ０10-510t ［s］-7：
τ＜10 s実験で見られる結晶層の厚みが説明できる！

⇒５％以上の反応分子が必要空気密度の依存性
50ρ＝10-4gcm-3 ρ＝10-９gcm-3

結晶層の厚み[nm]

ρ＝10-4gcm-3

10

実験２(真空下）

ρ＝10-３gcm-3

10-6t ［s］10-3

空気密度が低い⇒冷却がゆっくりになり、結晶化しやすくなる

実験３（１気圧下）

結晶化条件1

partial crystal

1

no crystallization

crystallization

0.001Qτ[ｓ][1027Kcm-3]

crystallization

no crystallization

partial crystal

010-1010-5Gas density [gcm-3]

110-1010-5Gas density [gcm-3]

大きいエネルギー密度Q、短い反応時間τ、低密度環境⇒ アモルファスシリケイトが結晶化しやすい議論：エネルギー密度Q
原始惑星系円盤実験３
ガス密度が大きくなると冷却率が増大⇒ 結晶化起こりにくい
Qmin：断熱的な温度上昇で説明可能

partial crystal

1crystallization

円盤内で結晶化に必要な加熱条件

Q

Q＞3×1026Kcm-3[1027Kcm-3]

反応熱=数eVno crystallization

010-1010-510-5Gas density [gcm-3]

1

数％程度ラジカル分子があれば結晶化可能
UV照射によりラジカル分子は常に生成：１－１０％（Greenberg 1976)

議論：反応時間τ
原始惑星系円盤1

ガス密度が大⇒ 反応時間が小さい必要あり

no crystallization

反応時間 τ ＜ τcool :冷却時間のとき結晶化が起こる

0.001
τ[ｓ]

円盤内で結晶化に必要な条件:

τ＜τcool～10-1ｓ
τ＝τ0exp(Er/kT)⇒ T～200 K for Er=5000K
数百K以上で結晶化可能

crystallization

partial crystal

10-1010-5

Gas density [gcm-3]

実験３

まとめ
 低温結晶化モデルの構築

過去の結晶化実験を再現
 結晶化条件: 2つの量で決定
反応分子量と反応熱の積 Q > Qmin
反応時間 τ ＜ 系の冷却時間⇒反応分子を数％程度含めば結晶化が可能
 低密度環境では結晶化効率が増大
宇宙のより広い温度環境でシリケイト結晶化が可能