[P-PS07] 惑星科学

[PPS07-07] 衝突シミュレーションによる高密度ダストアグリゲイトの跳ね返り条件の推定

*大城 榛音¹、辰馬 未沙子²、奥住 聡¹ (1.東京工業大学、2.理化学研究所)

キーワード：ダスト集合体、微惑星形成

原始惑星系円盤における微惑星形成は、ダストアグリゲイトの合体成長から始まる。ミリ波偏光観測により、原始惑星系円盤には充填率が0.1以上の高密度なダストアグリゲイトが存在することが明らかとなっている(e.g., Tazaki et al. 2019)。このような高密度なダストアグリゲイトは衝突して跳ね返ることが知られている。跳ね返り現象はダストアグリゲイトの成長を抑制するため、原始惑星系円盤の進化や惑星形成を考える上で重要である。
ダストアグリゲイトの跳ね返りは室内実験と数値シミュレーションから研究されているが、得られた跳ね返り条件は異なっている。シリカ球を用いた室内実験では、跳ね返りが効果的になるアグリゲイトの質量は衝突速度の-4/3乗に比例していることが知られている (Kothe et al. 2013)。一方で、最密充填球からランダムに粒子を抜き取って作る欠陥最密充填球を用いた数値シミュレーションでは、跳ね返り条件に速度依存性がなく、アグリゲイトが大きくなると跳ね返りやすくなるというサイズ依存性のみが確認されている(Arakawa et al. 2023)。
　本研究では、跳ね返りの条件がアグリゲイトの内部構造に依存する可能性を検証するため、低密度アグリゲイトを圧縮したアグリゲイトを用いてN体シミュレーションを行った。アグリゲイトの構成粒子は0.1μmの氷球を用いており、その接触相互作用を解くことでアグリゲイトの運動を計算した。パラメータはアグリゲイト内部の充填率、アグリゲイト半径、衝突速度とした。その結果、跳ね返り条件として衝突速度に依存する2つの傾向が確認された。衝突速度が低い場合、実験と整合的な、質量及び衝突速度に依存する跳ね返り条件が得られた。衝突速度が10 m/sを越えるとアグリゲイトが塑性変形し、再び付着することも確認された。
本研究の結果は、先行研究で見られていた室内実験と数値シミュレーションにおける跳ね返り条件の不一致がアグリゲイトの内部構造の違いによるものであることを示す。先行研究のシミュレーションで用いられた欠陥最密充填球には局所的に接触点数が高い領域がいたるところに存在する。高い接触点数は、跳ね返りを起こしやすくすることが知られており、結果として先行研究のシミュレーションでは跳ね返り条件の速度依存性が見えなくなった可能性がある。
また、得られた跳ね返り条件を用いて、原始惑星系円盤における高密度氷ダストのサイズ制限も行った。本研究のパラメータでは、ダストのサイズは観測で期待されるダストサイズよりも小さい値が得られたものの、跳ね返り条件の定式化により、原始惑星系円盤内でのダストアグリゲイトの充填率などの物性値を決定できる可能性を示唆する。