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粉粒体天体内部の密度構造に関する実験的研究 1 2 1 ○大村知美 , Guettler Carsten , 中村昭子 1 神戸大学大学院理学研究科, 2 Max-Planck-Institute for Solar System Research ダストの集合体である微惑星や、衝突破片の再集積より形成された天体は惑星形成過程にお いて普遍的であるといえる。粉粒体天体内部の密度構造(空隙率)は強度や熱的性質、衝突進化に 影響するため、粉粒体天体の進化を左右する。これらの空隙率は自己重力や岩塊の存在、衝突、 振動、熱進化等によって変化する。本研究では自己重力によって、中心からの距離で土圧が異な ることによって生まれる密度構造に注目する。 天体を構成する粒子塊を模擬した粉体層の圧縮実験を行い、圧力と空隙率変化の関係を、粉粒 体の特性(粒子径、粒子径分布幅、組成) に注目して調べた。また、実験より得た圧力と密度の関 係式から粉粒体天体内部の密度構造を推定した。 実験には粒子形状、組成、粒子径分布の異なる粉粒体を用いた。粒子径分布を図 1 に示す。ふ るいを用いて粉粒体を容器にふるい入れて粉体層（サンプル）を作成した。サンプルに遠心加速 装置と遠心機、圧縮試験機を用いて荷重をかけ、圧力と空隙率の関係を得た。使う装置によって サンプルの圧縮方法が異なり、遠心加速装置、遠心機では模擬重力(遠心力) による圧縮、圧縮試 験機ではピストン圧縮を行っている。サンプルにかかる圧力は遠心加速装置、遠心機の場合はサ ンプル内部の密度が均一だと仮定した際のサンプル高さ半分の点での土圧、圧縮試験機の場合は 土圧に加え圧縮試験機の試験力をサンプル断面積で割った圧力がかかっているとして求めた。サ ンプルの空隙率はその体積と質量、構成粒子の真密度より決定したサンプル全体の平均空隙率と した。 実験結果を図1 に示す。fused alumina 4.5 μm の実験結果より、特に高圧力範囲で模擬重力によ る圧縮よりもピストン圧縮でサンプルの空隙率が小さくなる傾向が見られた。これは模擬重力に よる圧縮でサンプルにかかっている圧力を大きく見積もっていることが原因の一つとして考え られる。サンプル内部の模擬重力は軸からの距離に応じて線形的に変化するため、密度が均一で あれば、高さ半分での土圧を平均圧力と考えることができる。しかしながら模擬重力による圧縮 ではサンプル内部に空隙率分布が生まれ、サンプル容器上方の空隙率が下方の空隙率に対し大幅 に大きくなる(Suzuki et al., 2004)。よって実際のサンプル高さ半分における土圧は見積もりより も小さくなっていると考えられる。 圧縮されやすさは粉粒体によって異なった。これは粒子の特性(組成、形状、粒子径分布)が影 響していると考えられる。実験前後の粒子を電子顕微鏡で観察したところ、圧縮による粒子の破 壊は見られなかった。よってサンプルの空隙率は構成粒子の破壊によってではなく、粒子の再配 置によって減少したと考えられる。粒子の再配置メカニズムは配位数によって異なる。粒子の配 位数が6 以下の場合、粒子は主に転がりによって再配置される。しかし、粒子の配位数が6 を超 えると粒子はすべりを伴って再配置されるようになる。配位数は空隙率の減少と共に増加し、配 位数が6 に達するのは空隙率が~0.7 のときである(Wada et al., 2011)。空隙率が0.7 以下の範囲で 1 はすべりによる再配置が起こっていると考え、圧縮試験機での実験結果より得られた圧縮曲線の 傾きと、すべりによる再配置に必要となるすべり摩擦力の関係を調べた。すべり摩擦力は粉粒体 の剛性率、接触半径に依存する値であり、接触半径は粉粒体の組成、粒子径、外力に依存する値 であるが、ここでは粒子のメジアン径での、外力を受けていない場合の接触半径を仮定したすべ り摩擦力を用いた。すべり摩擦力の大きい粒子ほど圧縮されにくい (圧縮曲線の傾きが小さい) 傾向が見られた。また、粒子径分布幅の大きいサンプルは圧縮されやすい傾向が見られた。 天体構成粒子の圧縮特性が明らかであるとして、レーン= エムデン方程式を用いて粉粒体天体 内部の密度構造の推測を行った。天体内部は連続で、土