[P-PS02] Regolith Science

[PPS02-P01] 厚みの異なるレゴリスで覆われた基盤岩への高速衝突実験：クレーター形態と衝突励起振動との関連

*柿木 玲亜¹、荒川 政彦¹、保井 みなみ¹、山本 裕也¹、長谷川 直² (1.神戸大学大学院理学研究科惑星学専攻、2.宇宙航空研究開発機構　宇宙科学研究所)

キーワード：クレーター、衝突励起振動

レゴリス層で覆われた小惑星のクレーター形成は重力により支配されており、層構造を持つ小惑星に形成されるクレーターの形態は上部のレゴリス層・粒子層の厚みにより変化する。これまで均質標的に対するクレーター形成実験は多く行われてきたが、実際の天体のように層構造を持つ標的に対する実験は少なく、レゴリスで覆われた層構造標的に対する重力支配域のクレータースケール則は未解明である。
衝突励起振動は天体上の高速度衝突により発生し、この振動が天体内部や表面を伝播することによりレゴリスを流動化させ、天体表面の地形を緩和させる。これは小惑星上で地形を変化させる最も重要な効果の一つであるが、リュウグウ表面での衝突励起振動による地形緩和の程度はイトカワやエロスと比較して小さい。Richardson Jr. et al.(2005)では、層構造を持つ小惑星内を伝播する加速度波形のモデリングを行った。その結果、層構造を持つ天体では衝突地点より遠いところでも加速度波形が観測されており、小惑星の地形緩和の程度の差は表層構造の違いが原因となっている可能性がある。室内実験での衝突励起振動の研究では、Yasui et al.(2015)では粒径200µmのガラスビーズ、Matsue et al.(2020)では粒径500µmの石英砂を用いて加速度の計測を行った。しかしレゴリスで覆われた層構造を持つ標的での衝突励起振動は未解明である。
本研究ではレゴリスで覆われた基盤を持つ小惑星のクレーター形成過程と衝突励起振動による地形緩和を調べることを目的として層構造表層を模擬した標的へのクレーター形成実験を行い、基盤がクレーター形成過程に与える影響を調べた。また標的表面や基盤を伝播する加速度波形を計測し、振動波形や距離減衰過程に対する基盤の影響を調べた。
衝突実験は(A)自由落下による低速度衝突(衝突速度v_i=3.3m/s)、(B)神戸大の縦型一段式軽ガス銃による高速度衝突(v_i=12.1〜171.2m/s)、(C)神戸大の横型二段式軽ガス銃を用いた斜め衝突及び宇宙科学研究所の縦型二段式軽ガス銃を用いた超高速度衝突までの広い速度範囲で行った。基盤は(A)と(C)では砂と石膏の混合物の板、(B)では閃緑岩の岩盤を使用し、この基盤の上に粒子層(粒径500または100µmの石英砂、粒径100µmのガラスビーズ)を0〜30mmの厚さで敷いた。衝突励起振動の計測のためにレーザー変位計による粒子層表面および基盤表面の変位の観測や加速度計による標的表面や基盤の加速度の計測を行った。
結果、クレーター半径と粒子層の厚さに関して以下のことがわかった。クレーター半径は、平底クレーターでは均質標的に形成されるクレーター半径よりも小さくなり、平底型とお椀型の境界付近では均質標的に形成されるクレーター半径より大きくなった。これは基盤の振動によるクレーターの崩れが原因である可能性が考えられる。そして粒子層の厚みがクレーター深さより十分に大きいと、均質標的に形成されるクレーター半径と一致した。
衝突励起振動に関しては、以下のことがわかった。基盤がある場合、加速度波形は先行研究で見られたパルス波形とは異なっていた。(A)では粒子層が厚くなるにつれ加速度の減衰までの時間が短くなった。最大加速度と規格化距離の関係を見ると、先行研究と比較して最大加速度が大きくなっている傾向が見られたが、粒子層が弾丸直径の２倍程度までの厚みの範囲では、粒子層の厚みや距離により変化が見られなかった。(B)では、波形に(1)衝突直後の下向きの加速度波形、(2)高周波の加速度波形、(3)振幅が小さく長時間継続する加速度波形の3つのステージが存在した。高速度カメラで撮影したクレーター形成の様子と比較したところ、(1)は斜め方向の剪断の掘削流、(2)は弾丸の跳ね返り、(3)はクレーター形成時間のタイムスケールと対応している可能性が示唆された。
またレーザー変位計を用いることで粒子が鉛直方向に振動する様子を観測した。衝突直後に基盤や粒子層は下向きに変位し、その後粒子層は基盤の振動より高い周波数で振動した。また基盤の加速度波形は10msほどで減衰するのに対し、粒子層の変位波形は200ms以上振動が継続した。これは基盤の振動が粒子層の振動を励起し、その振動が継続していると解釈できる。