スターダスト衝突トラックの模擬実験：トラック形状と突入物質密度

2010/11/10
2010 年11月4日第6回低温研衝突研究会
研究目的
スターダスト衝突トラックの模擬実験：
トラック形状と突入物質密度、サイズの関係
•衝突トラックはどういうメカニズムで形成するのか？
新居見励○ 、土`山明（阪大・理）
門野敏彦（阪大・レーザー研）
奥平恭子（会津大）
長谷川直、田端誠（ISAS/JAXA）
渡辺隆行、八木下将史（東工大・化学環境）
町井渚、中村昭子（神大・理）
•突入物質の構造（密度、サイズ）との関係は？
トラックの最大径を用いた彗星塵サイズの推定(Burchell et al., 2008)、
トラック長さと最大径の比を用いた彗星塵密度の推定(Iida et al., 2010)
は正しいのか？
実験方法
Stardust Mission
Target : 均一な密度のもの（スターダストエアロジェルは複雑）
Projectile : 密度、サイズが既知のもの
6.1 km/s
~4-6 km/s
aerogel
non-porous
Hörz et al. (2006)
トラック形成ムービー解析結果(#790)
トラック形成ムービー撮影実験条件
Shot No.
Projectile
Diameter
(mm)
Impact
velocity
(km/s)
Aerogel
density
(g/cm3)
Shutter
speed
(ms)
Track type
#790
Soda lime glass
98 ± 3
6.12
20
2
A
#893
Soda lime glass
454
4.38
60
8
A
297-350
4.10
60
4
C
Pc=0.15 MPa (R=0.992)
Cd=0.95で (R=0.999)
3
60
Track width (mm)
2段式軽ガス銃 (宇宙研), HyperVision HPV-1（高速度ビデオカメラ）
Penetration depth (mm)
d 2z
1
d 2z
m 2   C d  t r 2 v 2 m 2   Pcr 2
2
dt
dt
実験装置：
Sintered
soda lime glass
High speed camera
形成された衝突トラックの形状は、
突入粒子の構造(サイズや密度、強度など)を反映している
Wild2彗星塵を6.1 km/sで捕獲
#896
2段式軽ガス銃
porous
50
40
30
20
10
0
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
0
20
40
60
80
100
120
140
Time (ms)
Time (ms)
Niimi et al. (2010)の突入物質減速モデルは妥当
#896 焼結体
構成粒子：<20mm ガラスビーズ
焼結条件：635℃、150分
密度：~2.0 g/cm3
空隙率：~21%
1cm
Crushing regime
: 速度依存の弱い抵抗
Hydrodynamic regime : v^2に比例する抵抗
衝突実験条件
トラック形成ムービー解析結果(#893, #896)
実験装置： 2段式軽ガス銃 (宇宙研)：散弾打ち
16
Dimensions (mm)
Penetration depth (mm)
100
80
60
40
20
14
12
100
200
300
400
500
600
700
Time (ms)
クラックの成長
10
4
0
20
40
60
80
Time (ms)
3mm
※widthはトラックの半分が、
見えなかったため、未解析
3mm
100
120
Aerogel
density
(mg/cm3)
20
20
20
~1.3
95-106
5.71
20
1
2.5
2.5
2.5
3.9
3.9
3.9
8.9
30±2
52±4
98±3
30±2
48±4
105±4
60±1
5.77
5.95
6.12
6.17
6.00
6.06
6.07,5.77
20
20
20
20
20
20
20
4
5
2
2
6
4
2
Projectile
density
(g/cm3)
diameter
(mm)
#900
#901
#789
Polystyrene
Polystyrene
Polystyrene
1.06
1.06
1.06
#793
6
31±2
58±5
109±13
Impact
velocity
(km/s)
6.14
5.82
6.07
Shot
No.
8
2
0
0
Track length
Track width
#896
#893
#795
#405
#790
#788
#784
#794
#785
Sintered silica
(irregular shaped)
Soda lime glass
Soda lime glass
Soda lime glass
Alumina
Alumina
Alumina
Copper
Number
of tracks
3
3
2
※Stardust aerogel: 5-50 mg/cm3
1
2010/11/10
トラック入口径
vimp
De
p,dp
PS
SLG
Alumina
Copper
Sintered silica
Alumina ODC aerogel (Horz et al.,2009)
SLG Stardust aerogel (Burchell et al., 2008)
100mm class (98-109mm)
Horz et al. (2009) (35, 60, 105mm)
Burchell et al. (2008) (12, 35, 64mm)
De/dp
20
40
60
80
dp (mm)
100
1000
40
120
0
0
2
4
6
p (g/cm3)
8
0
10
トラック最大径
vimp
p,dp
20
100mm class (98-109mm)
Horz et al. (2009) (35, 60, 105mm)
Burchell et al. (2008) (12, 35, 64mm)
35
2
1.5
0
?
ablation,
break-up
Horz et al. (2009) (35, 60, 105mm)
Burchell et al. (2008) (12, 35, 64mm)
60
30
30
10
100
0
120
0
2
4
6
p (g/cm3)
8
10
0
0
20
40
Dmはサイズにほぼ比例。⇔Burchell et al. (2008), Iida et al. (2010)
Dmを説明するモデルはまだない。
トラック最大径の深さ
vimp
p,dp
PS
SLG
Alumina
Copper
Sintered silica
8
6
60
dp (mm)
z(Dm)
typeC
0
2
4
6
p (g/cm3)
8
10
エアロジェルに衝突トラックが形成される様子を撮影した。
約6km/sで形成するトラック形状の密度、サイズ依存を調べた。
typeAに関しては、Niimi et al. (2010)の
突入物質減速モデルでOK。
密度とサイズに比例(typeCは短くなる)。
Lt
60
vimp
50
p,dp
40
30
30mm class (30-31mm)
50mm class (48-60mm)
10
0
40
0
120
サイズに依存して、密度には
大きく依存しない
20
2
20
100
70
4
0
まとめ
Lt
Dm
80
typeによって傾きが
違う可能性がある。
Lt/Dmは密度だけに依存。
→突入粒子の密度を推定するための指標となる。
80
z(Dm)/dp
z(Dm), (mm)
10
De
60
dp (mm)
typeA
40
20
80
Wild2彗星塵密度推定の式
(Iida et al., 2010)
50
40
10
60
Lt
Dm
De
70
20
dp (mm)
10
100mm class (98-109mm)
5
40
8
50mm class (48-60mm)
10
20
6
30mm class (30-31mm)
1
0
4
p (g/cm3)
vimp
0.5
0
2
p,dp
同じ物質でできた
60 トラックは、相似形
をしている
50
20
15
0
120
Lt/Dm
25
100
70
Lt/Dm
30
Dm/dp
3
80
PS
SLG
Alumina
Copper
Sintered silica
Alumina ODC aerogel (Horz et al.,2009)
SLG Stardust aerogel (Burchell et al., 2008)
50mm class (48-60mm)
2.5
60
dp (mm)
アスペクト比（長さと最大径の比）
Lt
Dm
40
Lt∝ pdpと（typeA） ⇔ Niimi et al. (2010)の減速モデル
typeCのトラック長さはモデル化できてない。
30mm class (30-31mm)
3.5
Dm (mm)
De
ablation,
break-up
500
20
トラック入口径は、主にサイズに依存。
ばらつきが非常に大きい→サイズ推定の指標にはならない。
PS
SLG
Alumina
Copper
Sintered silica
Alumina ODC aerogel (Horz et al.,2009)
SLG Stardust aerogel (Burchell et al., 2008)
Burchell et al. (2008) (12, 35, 64mm)
1500
60
0
0
Horz et al. (2009) (35, 60, 105mm)
80
5
0.5
100mm class (98-109mm)
100
10
1
50mm class (48-60mm)
Lt/dp
15
Lt
Dm
De
30mm class (30-31mm)
2000
Lt (mm)
1.5
vimp
p,dp
PS
SLG
Alumina
Copper
Sintered silica
Alumina ODC aerogel (Horz et al.,2009)
SLG Stardust aerogel (Burchell et al., 2008)
50mm class (48-60mm)
20
De (mm)
トラック長さ
Lt
Dm
30mm class (30-31mm)
2
0
De
80
100
120
100mm class (98-109mm)
0
0
2
4
6
p (g/cm3)
8
10
Dm
De
z(Dm)
typeAに比べてtypeCの方が浅い。
Dmは突入物質のサイズ推定の指標になる。
Lt/Dmは密度にのみ依存するため、密度推定の指標になる。
トラック最大径の形成メカニズムは、typeAとtypeCでは違う可能性。
今後の課題
typeCトラックはtypeAに比べて浅い位置で最大径をつくる。
・トラック形成モデル(typeAの最大径、typeCの長さ、最大径)
typeAトラックの最大径の深さは密度が違っても大体同じ。
・スターダストエアロジェルを用いたWild2彗星塵密度、サイズの較正実験
2

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