珪酸塩の状態方程式と月形成巨大衝突
12○黒澤耕介 ,門野敏彦 ,弘中陽一郎 2,杉田精司 3,重森啓介 2,佐野孝好 2,境家達弘 4,大野宗祐 5,橘省吾 6,松井孝典 5
1.ISAS/JAXA, 2. 阪大レーザー研, 3. 東大 新領域 4. 阪大 理, 5. PERC/Chitech, 6. 東大 理

要旨
月形成巨大衝突に適用可能な状態方 程式の確立を目指して、Forsterite の衝撃圧縮実験を行い、800GPa までの P-T Hugoniot を取得した。その結果をもとに衝撃圧縮によるエ ント
ロピ ー の増 加 量, 1 気 圧 まで 断 熱膨 張 し た際の蒸発率を算出し 、M-ANEOS と比較したところ、 M-ANEOS は衝撃圧縮時のエントロピー増加量を大幅に過小評価していること がわかった。この矛盾を解決するには極限状 態にある珪酸塩内の原子-電子, 原子—原子間相互作用モデルの修正が鍵になると考えられる。
はじめに惑星形成最終期において天体衝突は内 惑星の主要構成要素である珪酸塩でさえ蒸発 させるほどのエネルギーを供給する[e.g., 1, 2]。そのような高速度衝突は地球史上の様々な 大事件で重要な役割を果たしてきたと考えら れている[e.g., 3-6]。本研究ではその中でも月形成巨大衝突に焦点をあてる。月の起源には 諸説あるが、現在の最有力説は巨大衝突仮説 である。それは惑星形成過程の最終段階で自 然に起こること[e.g., 7]、地球—月系の様々な物理化学的特徴を一度に説明可能と考えられ ているからである。しかし近年急速に発達し てきた数値流体計算の結果は巨大衝突仮説に 否定的であった。巨大衝突後、周地球円盤領 域にバ ラ ま か れ る 質 量 の ~80%が 衝 突 天 体 由 来 であり[8]、地球—月系の最大の特徴の一つである酸素同位体の一致と矛盾してしまうこ とが明らかとなってきたのである。これは”Isotopic crisis”と呼ばれ[9]、月の起源は再び惑星科学上の最重要未解決課題の一つ となりつつある。
我々はこの問題に実験的に取り組んでいる。
近年指摘されてきている様に、従来の数 値流体計算手法は月形成巨大衝突には不適当 なもの で あ り[10]、 複 数 の グ ル ー プ に よ っ て 改良した計算手法を用いた研究が始まりつつ ある[e.g., 11, 12]。 と こ ろ が 流 体 運 動 を 支 配 す る
EOS に対する関心は薄く、近年の数値流体計算の多くは M-ANEOS[13]と呼ばれる EOS が使用されている(月形成巨大衝突問題に限らない)。Quartz に対する M-ANEOS は>100 GPa,>10000 K の高 温 高 圧 条 件に お い て 実 験 で得られた Quartz の P-T Hugoniot を再現できず,衝撃加熱温度を大幅に過大評価してしま うこと が わ か っ て い る[14]。 こ れ は 衝 撃 圧 縮 で不可逆的に蓄えられたエネルギーの分配過 程を正しく取り扱えていないことを意味し、 衝突後の 蒸 気発 生 量や 駆 動 され る 流体 運 動, 周地
球領 域 に放 出 され た 物 質の 密 度, 温 度 分 布はM-ANEOS による予測とは異 なるものに なると考えられる。そこで我々は Quartz と並んで重要 な Forsterite に対 して 衝撃 圧縮 実験 を行
い P-T Hugoniot を取得し, 既存の Quartz デー
タと 合 わせ て, 月 形成 巨 大衝 突 に適 用 可 能なEOS の構築を目指している。
高強度レーザーによる衝撃圧縮実験
大阪大学レーザーエネルギー学研究セ ンターに設置された高強度レーザー「激光 XII 号HIPER」を用いて Forsterite の衝撃圧縮実験を行った。基本的な実験手法は我々の先行 研究と同様であるので、詳しくは参考文献を 参照して頂きたい[15, 16]。レーザーによって衝撃圧縮した Forsterite の背面から 3 台のストリー
ク カ メ ラ を 用 い て 時 間 分 解 速 度 干 渉 /発 光 分
光計 測 を行 い, 衝 撃波 伝 播中 の 試料 の 温 度圧力同時計測を行った。今回用いたレーザ ーの持続時間は 2.5 ns ほどしかなく、標的内で希薄波が衝撃波に追いつき、衝撃圧力が急 激に減衰する。この特徴は透明試料を用いた 場合には大きな利点となる。透明試料を用い ると試料 中 を伝 播 する 衝 撃 波面 か らの 発 光, 干渉計測用のプローブレーザーの反射光を観 測す
る こ と が で き る 。 す な わ ち , １ Shot でHugoniot 上の温度圧力データを複数点取得することが可能となる。衝撃波面は光学的 に厚いため、衝撃波背面からの光汚染は起こ らない。今回干渉／分光を同時に計測できた のは2 Shot であるが、350-750 GPa の Hugoniot 曲線上温度を連続的に得ることに成功した。
実 験 結 果 , M-ANEOS と の 比 較
衝撃波伝播中の発光スペクトルの Planck 関
数 fitting から衝撃圧縮温度を、干渉縞移動量から衝撃波伝播速度を計測した。得られ た衝撃波速度を用いて既存の Hugoniot data[17]を基に衝撃圧縮圧力を算出した。実測され た衝撃圧縮温度は 350-600 GPa(15-20 km/s の衝突に相当)の範囲で M-ANEOS の予測値よりも系統的に低温であり、定積比熱 5R 一定の理論曲線とよく一致した(固体比熱の高温極限は 3R,
The Dulong-Petit value)。この結果をもとに半解 析 的 手 法[18]を 用 い て 衝 撃 圧 縮 時 の エ ントロピーを算出した 。M-ANEOS の予測値はエントロピー上昇量を過小評価しているこ とがわかる。これは M-ANEOS を構築する際に考慮されていないエネルギー貯蔵庫がある ことを意味する。我々の先行研究では衝撃圧 縮された珪酸塩の解放過程で観測される発光 輝線のほとんどがイオン由来であることが確 認され て い る[19]。 ま た 今 回 の 観 測 か ら は 可 視光領域に最初に現れる輝線が酸素イオンで あることが明らかとなった。この観測結果は 非常に高 圧 の条 件 であ る に も関 わ らず, 衝 撃 圧縮さ れ た 珪 酸 塩 は 解 離 /電 離 し て い る こ と を 意味する。一般に電離は大きなエネルギー を必要とする吸熱過程である。今回観測され た定積比熱の上昇は電離吸熱に起因する可能 性が高い。
議 論 -月 形 成 巨 大 衝 突 へ の 影 響 衝撃圧縮時の定積比熱の上昇はエント ロピー の 増 加 を 促 す[14]。 断 熱 解 放 中 の 珪 酸 塩の蒸発率は、熱力学平衡を仮定できれば、 衝撃圧縮で上昇したエントロピーとその圧力 におけ る 蒸 発 開 始 /完 全 蒸 発 エ ン ト ロ ピ ー の 値 から 容 易 に 計 算 す る こ と が で き る (The leverrule)。ここでの蒸 発率は１ 気圧ま で断熱 解放された場合の蒸発率である。１気圧条件 では
実験 デ ータ が 存在 す る ため に, 仮定 を 置 くこと無く、蒸発率を計算することができる。
Quartz に 対 し て も 先 行 研 究 の P-T Hugoniot
data を 基 に 同 様 の 計 算 を 行 っ た 。 Quartz,
Forsterite ともに M-ANEOS は蒸発率を大幅に過 小 評 価 し て い た こ と が わ か る 。 例 え ば 20km/s 衝突時には従来予測の~1.5 倍もの蒸気が発生する。また衝突時のエントロピー増 加量が変化すると、断熱解放後の残留温度も 変化する。その場合は周地球円盤の力学• 化 学進化も従来予測とは異なるのかもしれない。
また衝撃圧縮-解放中に電離が起きているとするとその後の流体運動にも大きく影 響を与える。電子がエネルギーを溜め込んで しまった場合には珪酸塩蒸気の比熱比が減少し,蒸気発生直後の膨張速度は従来予測より も遅くなる。ところが発熱過程である電子再 結合が起 こ り始 め ると, 蒸 気 が加 速 を受 け る 可能性がある。このような後期加速は凝縮相 の放出速度、角度を変化させる可能性がある 。加速を受けた高温の凝縮相放出物が再び地 球に衝突すると、さらに多くの蒸気が発生す るはずである。周地球物質の蒸発率は従来の 予測よりもさらに高くなるのかもしれない。
近年のレーザー実験の発展によって、 宇宙速度衝突条件での珪酸塩の状態方程式デ ータを取得することが可能になってきた。そ の結果従来よく用いられている M-ANOES には考慮されていないエネルギー分配過程が存 在することが明らかになった。我々は電離/電子再結合が重要な役割を果たしていると考え ている。この過程を M-ANEOS に取り込むためには, 使用 され てい る原 子-電子, 原子—原 子間相互作用モデルを高圧下での解離／電離 を許すよ う に修 正 し, 実験 デ ータ に よる 較 正 を行うことが必要である。
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