[P-PS06] 惑星科学

[PPS06-05] 分化した微惑星の衝突破壊に対する溶融した金属コアの影響

*林 沙樹¹、荒川 政彦¹、笹井 遥¹、黒崎 健二¹、長谷川 直² (1.神戸大学大学院、2.宇宙航空研究開発機構)

キーワード：分化天体、衝突破壊

太陽系形成初期に集積した微惑星は、²⁶Alなどの放射性核種によって加熱され溶融し、重力分化することで、内部に鉄のコアと岩石のマントルをもつ層構造天体となると考えられてきた。現在小惑星帯で発見されている16 PsycheなどのM型小惑星や鉄隕石は、このような分化した微惑星の鉄コアやその破片から生じた可能性がある。Psycheの平均密度は約4 g/cm³であることが観測的に知られており、これは鉄の密度7.9 g/cm³よりも低いため、Psycheはラブルパイル天体のような空隙率が高い天体の可能性があると考えられる。空隙率が高いラブルパイル天体は、天体の破片同士が重力により集積することによって形成されるため、天体の破壊現象を考えることが重要となる。しかし、層構造天体に対する衝突数値シミュレーションやコア-マントル天体模擬標的を用いた室内実験では、鉄のコアは岩石マントルに保護されており、鉄天体の衝突破壊強度は岩石天体より約2桁大きいため、鉄のコアの破壊はほとんど起こらなかったことが示唆されている[1]。したがって、鉄成分を放出して再集積したラブルパイル天体を形成するには、鉄のコアが破壊されやすい状態であることが予想される。そこで、本研究では溶融したコアをもつ分化した微惑星が破壊されることで、鉄コアの破片が供給されたという仮説を提唱する。本仮説の検証のために、溶融したコアと固体のコアをもつ球状のコア-マントル標的のそれぞれの衝突破壊強度を実験的に決定する予定である。また、衝突破片が自己重力によりラブルパイルを形成するかどうかを調べるため、マントルとコアの両方から発生した破片の放出速度を測定する予定である。
本研究では分化微惑星の衝突破壊の模擬実験を行うために、球状のコア・マントル二層球標的に対する衝突破壊実験を行った。標的には金属コアとしてビスマス系合金、岩石マントルとして石膏モルタルを用いた。ビスマス系合金(融点70℃)を球状のコア用鋳型に流し込み、球状のマントル用鋳型にコアをセットし、周囲にモルタルを流し込むことで作製した。標的の質量は約100g、直径は4cmであり、コアの直径は2cm、マントルの厚さは1cmであった。また、球状のコア・マントルターゲットの衝突破壊強度を、ビスマス系合金または石膏モルタルのみで作られた球の衝突破壊強度と比較するために、質量約45g、直径2cmの合金球標的と、質量約210g、直径6cmのモルタル球標的も作製した。標的は真空チャンバー内で、固定具を用いて吊り下げた。直径7mmもしくは直径4.7mmのポリカーボネート球を弾丸として使用し、神戸大学および宇宙科学研究所の横型二段式軽ガス銃で衝突速度2〜6 km/sに対して実施し、衝突破壊後の標的の最大破片質量および質量分布を決定した。また、衝突破壊の様子を高速カメラおよびフラッシュX線イメージング法によって観察し、マントルとコアの破片の速度を計測した。
実験の結果、2〜4 km/sの衝突では、固体のコア-マントル二層球標的の最大破片は鉄コアであり、コアは破壊されず変形するのみで、マントルはカタストロフィックに破壊されていたことが確認できた。したがって、この結果は[2]のtype 2に分類される。これは、マントルが優先的に破壊され、コアはマントルに保護されたことを示唆している。また、6 km/sの衝突ではコア、マントル共にカタストロフィック破壊が起きていた。フラッシュX線の画像では、衝突後5 µsでモルタルのマントルに穴が開き、クレーターが形成され、100 µsでクレーターが成長する様子が確認された。そして、150 µsではマントル全体が破壊された。本研究では全ての速度において、破壊されたマントルはコアから完全に剥がれ落ちており、500 µs後ではコアとマントルが分離している。これらの映像と画像から、コアとマントルの反対点の速度を決定した。
衝突破壊後の最大破片のエネルギー密度依存性を求めて、衝突破壊強度の推定をおこなった。その結果、固体コア-マントル二層球のマントルの衝突破壊強度Q*は約400 J/kgと導かれた。今後は、標的のコアを溶融させた衝突実験を実施し、鉄コアの物質強度と標的の破壊強度の関係を決定し、コアが固体の状態の結果と比較する予定である。

[1] Elkins-Tanton, L. T. et al. Space Science Reviews 218. 17.
[2] Okamoto C. & Arakawa M. (2008) Icarus 197, 627-637.