レーザー衝撃圧縮実験の惑星科学への応用／佐野，重森

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レーザー衝撃圧縮実験の惑星科学への応用1

佐野孝好 ，重森啓介

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超高圧下での水素の状態方程式は，木星に代表され激光XII号レーザーは，慣性核融合研究を目的としる巨大ガス惑星の内部構造を探る上で極めて重要であて開発された大出力レーザーである[1]．名前にある「激る．しかし，木星内部のような超高圧下における状態光」とは中国語でレーザーを意味している．この大型方程式は，理論的にも実験的にも決定的なモデルが存

レーザー装置は合計12本のレーザーで構成され，1ビ在してないのが現状である．

ーム当たりの出力エネルギーはおよそ1kJである．ネ

特に，水素分子から金属水素への遷移領域での状態方程式の不確定性は，木星内部構造の理論モデルにおオジウムガラスレーザーが使用されており，レーザーの基本波長は1μmと赤外線領域にある．

いて深刻な問題である．木星中心部に存在する岩石コレーザーの出力は，単位時間当たりのエネルギー量アの質量が未だに決定できていないのは，この不確定として定義される．激光XII号レーザーのパルス幅は性が主要な原因となっている．岩石コアの質量は，木ナノ秒程度で，これは光がたった30cmしか進めない星を含む我々の太陽系の惑星がどのように誕生したのほどの短時間に相当する．レーザーを短パルス化するかを理解する上で重要な鍵となる物理量である．

ことによって，ピーク出力は10TWのオーダーにまで

木星の内部構造は，中心部に岩石や氷でできたコアが存在し，その周りには主に水素とヘリウムからなる達している．ちなみに，これは世界の原子力発電所の出力合計をはるかに越える大きさである．

外層がある．水素は表面付近では分子の状態で存在す

このような大規模レーザーによって作り出される極るが，中心部に近い高圧領域では水素が圧力電離して限的な高エネルギー密度状態は，核融合研究のみなら金属水素になっていると予想されている．水素分子かず様々な分野に応用可能なプラズマ研究の道具となる．

ら金属水素への遷移が起こる条件は，木星内部では圧レーザープラズマを用いることで，惑星内部で実現さ力がおよそ2Mbar，温度が6000Kであると考えられてれているMbarを越える超高圧状態を地上で作り出すいる．

ことも可能である．レーザー実験によって水素や鉄の我々は，超高圧下での水素の状態方程式を実験的に高圧物性を明らかにし，木星や地球の内部構造に応用検証することを目標とし大阪大学レーザーエネルギーすることによって，太陽系の起源や進化について多く学研究センターにある激光XII号レーザーを用いた衝の知見が得られることが期待できる．

撃圧縮実験を開始した．まずは，木星内部の遷移層に物質に高強度レーザーを照射すると，表面には高エ近い物理条件を実験室で再現し，水素の状態方程式やネルギー密度プラズマが発生する(図1参照)．レーザー金属化の証拠について調べていきたいと考えている．のエネルギーはプラズマ中で吸収され，吸収されたエ

1. 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター

ネルギーは熱伝導によってプラズマ化していない固体★2006遊星人Vol15-3.indd

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表面に輸送される．そこで，アブレーションが起こり

 (2)プラズマが噴出する．その一方で，この噴出の反作用として物質内部に運動量が与えられ，衝撃波が発生すとなり，(1)式より10Mbar以上のアブレーション圧力る．この衝撃波が通過することで，物質は非常に高いが達成できることがわかる．これはガス銃を用いた衝圧力にまで圧縮される．

撃圧縮実験と比べて1桁以上も高い圧力に相当し，ここの時に達成される圧力は経験的におおよそ，
の点はレーザー衝撃圧縮の魅力の一つと言える．
(1)³®ǽ෩ጨẲἧἲựἲᚗ଒٢᎔޴᮷

で与えられる[2]．ここで，I はレーザーの集光強度，λはレーザーの波長である．激光XII号レーザーはナ

図2は水素の状態方程式実験で我々が用いたターゲノ秒程度のパルス幅 τLで，kJオーダーの出力エネルットである．圧縮前の密度をできるだけ高くしたいた

ギー ELが可能である．このようなレーザー光を直径めに，液体状態にした水素を使用する．およそ15Kに500μm程度のスポットに集光すると，集光強度はまで冷却された低温装置の中で液体状態の水素を厚さ4μmのプラスチックの膜で挟み込む．水素層の厚みは100μm程度である．
過去に類似するレーザー実験がローレンス・リバモア国立研究所などで行われているが，その際には水素の同位体である重水素がターゲットとして用いられていた[3，4，5]．つまり，これまでは重水素の結果が

図 1 : 高強度レーザーが固体に照射された時の密度と温度の時間発展．レーザーが照射されると固体表面が加熱され真空方向に膨張波ができる．それと同時に固体中には衝撃波が伝播する．膨張波の臨界密度近傍でレーザーは吸収され，そのエネルギーは熱伝導によって輸送される．そして，ほぽ定常的に (c) の様な構造が維持される．

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図 2  水素のレーザー衝撃圧縮実験用のターゲット．試料となる液体水素が，プラスチックの膜に挟まれた状態で低温装置の中に置かれている．このターゲットに高強度レーザーが照射されると，プラスチック膜が水素に向かって押し出され，水素中に衝撃波が発生し伝播する．

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水素の状態方程式として利用され，木星の内部構造な5つの未知量に対し関係式が 3 本あるので，未知量どにも応用されていたのである．重水素が用いられてのうちのいずれか2つを測定すれば，圧縮層の物理量いた理由は，実験の動機が主に核融合研究であったたを決定できる．我々の実験では衝撃波速度Usと下流のめである．したがって，惑星研究を目的として水素そプラズマ速度（ピストンの速度）upを測定する．これのものをターゲットにしている点は，実は我々の実験らが計測されると，圧縮層の密度と圧力がユゴニオ関の重要な特色になっているとも言える．

係式からこのようなターゲットに一段パルスのレーザーが照射された場合を考えてみる．まず，レーザー照射によってプラスチック表面からプラズマが噴出すると同時に，プラスチックの中に衝撃波が伝播する．そして，

(6)



(7)のように求められる．

プラスチックの膜がレーザーに押し出されるようにしさて，もし状態方程式モデルが与えられると，内部て水素の方向に動き出す．するとこれが，ちょうどピエネルギーが密度と圧力の関数として決まる．そうすストンの役割となって水素を押し，今度は水素中に衝ると，(5)式より圧縮層の密度と圧力が関係付けられ撃波が発生する．

る．これはユゴニオ曲線と呼ばれ，図 3 に代表的な2実験としては，できるだけ一次元的な構造をもったつの状態方程式モデルの結果が示されている．圧力が衝撃波を水素中に伝播させることが理想となる．そのlMbarとなる付近で両者に顕著が違いがあるのが見てためには，集光スポットを広くし，かつレーザー強度とれる．SESAMEモデル[6]は比較的「硬く」，圧縮が空間的に均一なレーザーパルスを照射することが重率が4倍程度になっている．それに対しSaumonらの要となる．また，定常的に衝撃波構造を維持させるたモデル[7]では圧縮率が6倍に近く，非常に「軟らかい」

めには，レーザー強度が時間的にも一定であることがモデルになっている．この違いは主に金属化に関する必要となる．

理論モデルの不定性によるものである．

衝撃波が通過することで，液体水素中に圧縮層が形実験的に求められた圧縮層の密度と圧力を，この図成される．この圧縮層の物理状態を計測することによにプロットすることで，状態方程式モデルと実験とのって，状態方程式を実験的に調べることができる．も比較が可能となる．レーザーの集光強度を変えたショ

し状態方程式が未知であるとすると，未知の物理量はットを何度も行い，圧力の異なる実験結果を多数得る

圧縮層の密度ρ，圧力 p，速度up，比内部エネルギー

ことによって，どの状態方程式モデルが最もよく実験

e である．さらにこれに衝撃波速度Usを加えた合計 5を再現できるのかを判断することができる．

つの未知量が存在する．一方，衝撃波前後の物理量はユゴニオ関係式で結び付けられる．

我々の実験の現状としては，平成18年6月に最初の実験を行い，衝撃波速度と粒子速度の計測に成功した．

(3)

(4)
(5)

ただし，その時は実験期間の制限から1ショット分のデータしか取得できなかった．今後はさらに精度の高い実験を様々なレーザー条件の下で行い，圧縮率の圧力依存性を詳しく調べていく予定である．
木星内部構造への応用を考えると，実はこのようなこれらの3式はそれぞれ質量，運動量，エネルギーの実験だけでは不十分である．衝撃波による圧縮では，保存則を表している．添字0が付いているのは圧縮前圧力だけでなく温度も同時に上昇する．一段の衝撃波の既知の物理量である．

で2Mbarを発生させた場合には，高温になりすぎて★2006遊星人Vol15-3.indd

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図 5  激光 XII 号レーザーを用いた水素の衝撃圧縮実験の様子．真空チャンバーの上でターゲットに水素ガスを送り込む作業を行っている．
3

図 3  液体水素（ρ0=0.085g/cm ）のユゴニオ曲線．2 つの代表的な状態方程式モデルの場合を示している [6，7]．実験的に求められた圧縮層の密度と圧力をこの図に何点もプロットすることで，実験結果を正しく再現できる状態方程式モデルがどれであるかを決定することができる．

集光強度の異なる複数のレーザーパルスを順々に照射し，多段階の衝撃波によって目的の圧力を作り出すことで，圧縮層の温度のみを下げることが可能となる．
このようにレーザーパルス波形を調節することで圧縮層の温度を変えられることもレーザー衝撃圧縮の重要な特徴と言える．
例えば1Mbarの圧力の場合（図4参照），一段衝撃波では温度は20000Kを越えてしまう．一方，まず弱い強度のレーザーで0.1Mbarにした後に，さらに強い強度のレーザーを照射することで二段目の衝撃波を発生させることを考えてみる．この場合，同じ1Mbarの状態を作ったとしても，その温度は7000K程度に抑えられている．今後の実験では，このような多段パルスを用いた方法で，木星内部の遷移層における物理条件（2Mbar，6000K）の実現を目指していきたいと考えている．

図 4  一段衝撃波及び二段衝撃波で液体水素を圧縮した場 合 の 圧 力 と 温 度 の 関 係． 状 態 方 程 式 と し て はSaumon らのモデル [7] を用いている．強い衝撃波で一気に 1Mbar にすると温度は 20000K を越えてしまう (A 点 )．一方，まず弱い衝撃波で圧縮した後で，二段目の衝撃波で，1Mbar に到達させた場合には温度の上昇は 7000K 以下に抑えられる (B' → B 点 )．

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過去の重水素によるレーザー実験の結果では，1Mbar辺りでの圧縮率が6倍に近く，比較的軟らかいしまい，惑星内部の温度からかけ離れてしまう．そこ

状態方程式が示唆されている．圧縮率が大きくなる理で，温度の増加を抑制しつつ高圧状態を実現すること

由としては，水素分子の解離にエネルギーが使われてが本質的となる．

いるためではないかと解釈されている．

そのための一つの方法が，多段衝撃波の活用である．

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しかし，異なるレーザー装置を用いて行われた実験

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結果を比べてみると，圧縮率にはまだ大きなばらつきしっかり連携を取りながら，今後の実験プロジェクトが存在している．また，レーザー以外の方法を用いを進めていきたいと考えている．

た実験(磁場による圧縮)からは，1Mbarまでの圧力で硬めの状態方程式を示唆する結果が得られている[8]．
これらの矛盾の原因についてはまだ十分に解明されてµ®ǽἧἲựἲ޴᮷ắỌỏ঺஬ᇼ‫ޙ‬ǽǽᆅሱẲժᑤॴ

おらず，我々の実験によって是非とも決着させたいと考えている．

我々は将来的には水素だけでなく，例えば水素とヘ木星の内部構造モデルは，木星の質量，半径，表面リウムを混合させたより現実的な試料を使って木星内温度などを再現するように理論的に構築される．水素部の状態方程式を調べることにも興味を持っている．の硬さ(状態方程式)は，木星外層の密度分布などの構

そのような実験は過去に全く例がなく，物性物理だけ造に影響を与える．当然，中心部の岩石コアの質量もでなく惑星科学の分野にとっても非常に価値の高い実状態方程式モデルに強く依存することになる[9]．

験にできると考えている．

もし過去のレーザー実験が示すような軟らかい状態

水素以外では，鉄の衝撃圧縮実験も激光XII号レー

方程式が正しいとすると，岩石コアの質量が比較的大ザーを用いて既に行われている．これは，地球の内核きいモデルが妥当となる．その場合には，コア質量がの物性を明らかにすることを目的とした実験である．

10倍の地球質量を超えるモデルも許される結果となる．

地球の内部を探る研究は，通常は静的圧縮によってしかし，逆にSESAMEモデルのように硬い状態方程徐々に高圧に向かって進められている．地球の中心部式が正しいとなると，岩石コアの質量は小さくなる傾の圧力，温度はそれぞれ3.5Mbar，6500Kと言われて向になり，極端な場合には岩石コアがないというモデいる．これは高強度レーザーを用いれば作り出すことルでさえも許される結果となる．このように，遷移層が十分に可能な条件である．すなわち，レーザーを用でのわずかな圧縮率の違いが，木星の岩石コアの質量いれば直接中心部の鉄の物性に迫る研究が可能なのでの見積もりを大きく変えてしまうのである．

ある．

岩石コアの質量は，太陽系の形成シナリオを考える

ただし，この鉄の実験の場合も一段衝撃波では温度上で極めて重要である．太陽系の起源として標準的にが高くなりすぎるため，鉄が液体になってしまうとい考えられているコア集積モデルでは，原始惑星系円盤う問題がある．そのため，多段パルスで圧縮し固体状の寿命以内に木星を作るためには，およそ8地球質量態の鉄の音速計測を目指して，現在も研究が進められ以上の岩石コアを必要とする[10]．もし小さな圧縮率ている．そして，地震学から予測されている内核中のを示す状態方程式が正しいことが実験的に証明される

固体鉄の音速が，レーザー実験で再現できるのかどうと，コア質量はこの臨界質量以下となり，コア集積モかを明らかにしていきたいと考えている．

デルによって木星を作るのが非常に難しくなる．

さらに，氷の高圧物性を調べることで，氷惑星の内その一方で，土星のコア質量は状態方程式モデルに部構造にもレーザー実験によって迫ることができる．

依らずに地球質量の10倍程度と見積もられている．そそうすれば，地球型，木星型，天王星型と様々なタイのため，水素の状態方程式実験の結果次第では，木星プの惑星の内部構造に関する研究を，レーザーを用いと土星が全く別の形成過程で誕生したというシナリて系統的に展開していくことも可能かもしれない．

オでさえも否定できなくなってしまうかもしれない．

またレーザーアブレーションによってmmサイズの我々の実験が，惑星科学の分野に大きなインパクトを飛翔体を秒速10km以上に加速することもできる．従与えるものになるように，太陽系形成の理論的研究と来のガス銃実験では困難であった地球の脱出速度を越★2006遊星人Vol15-3.indd

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える速度も，激光XII号レーザーを用いることで十分に可能となる．これを隕石が惑星に衝突する過程の模擬実験として利用できるかどうか，その可能性についても今後検討していきたい．
レーザーエネルギー学研究センターは平成18年度より全国共同利用施設となった．激光XII号レーザーを用いた共同研究も公募され，核融合研究に限らず幅広い分野の研究に高強度レーザーを用いることが可能となっている．惑星科学もレーザー実験の特性を生かすことのできる応用分野の一つである．レーザープラズ
マ実験と惑星科学の分野の交流が今後さかんになっていけば，激光XII号レーザーを使った極めてユニークな研究に発展していく課題が多数見つかるのではないかと期待している．

ពᢷ
水素のレーザー衝撃圧縮実験は東京工業大学の生駒大洋氏との共同研究です．本研究を紹介する機会を与えて下さいました北海道大学の田中秀和氏に感謝致します．

Վᐎ୫စ[1] プラズマ・核融合学会誌，第81巻増刊[2] Lindl, J., 1995, Phys. Plasma 2, 3933.
[3] Collins，G. W., et al., 1998, Science 281，1178[4] Mostovych, A. N. et a1., 2000，Phys. Rev．
Lett. 85, 3870
[5] Boehly，T.R. et al., 2004, Phys. Plasma 11, L49[6] Kerley, G. L, 1972, Los Alamos Lab. Rep.
LA-4776[7] Saumon, D. et al., 1995, ApJS 99, 713[8] Knudson, M. D. et al., 2001, Phys. Rev. Lett. 87,225501[9] Guillot, T., 1999, Planet. Space Sci. 47, 1183
[10] Ikoma, M. and Genda, H., 2006, ApJ 648, 696★2006遊星人Vol15-3.indd106

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