小惑星リュウグウでの人工クレーター形成実験から分かったこと

2019年4月5日、「はやぶさ２」は小型搭載型衝突装置 (SCI) を用いて小惑星リュウグウに人工クレーターを生成することに成功しました。「はやぶさ２」から分離されたカメラ (DCAM3) は、衝突後から約8分間にわたり衝突領域を撮影することに成功し、エジェクタカーテンが発達する様子やリュウグウの地表にエジェクタがたまっていく様子を捉えました。エジェクタカーテンは非対称で不均質でしたが、これは表面上の特徴と関係していることも分かりました。また、人工クレーターが生成した領域を観測した結果、人工クレーターは半円形をしており、直径は約14.5mでした。これは、地球上で形成される場合の約7倍の大きさになります。また、人工クレーターにはリム (クレーターを囲う縁の高くなった部分) があり、その中央部にはピット (くぼみ) ができていました。このように、小さな小惑星でのクレーター形成過程を初めて詳細に解明することができました。

さらに、リュウグウが小惑星帯に滞在していた期間についても新たな知見を得ることができました。これまでに行われたクレーターのサイズ頻度分布を用いた推定では、見積もり方によって年代が約600万年から約2億年とかなり幅がありました。本研究の結果を考慮すると、リュウグウの小惑星帯滞在期間は640～1140万年となります。すると、リュウグウ表面の年代は107年のオーダーであると言うことができ、これまで想定されていた範囲で最も若い年代であるということになります。

小惑星探査機「はやぶさ２」による小惑星Ryugu (リュウグウ) の探査活動に基づく本研究成果をまとめた論文は、アメリカの科学雑誌Science (サイエンス) 電子版 に2020年3月19日 (日本時間3月20日) に掲載されました。

神戸大学大学院理学研究科 惑星学専攻からは、筆頭著者として荒川政彦 (あらかわ　まさひこ) 教授、共著者として小川和律 (おがわ　かずのり) 技術専門職員、白井 慶 (しらい　けい) 特命技術員、岡本 千里 (おかもと　ちさと) 理学研究科研究員 (執筆当時)、平田直之 (ひらた　なおゆき) 助教が本成果に貢献しております (著者名掲載順)。

• 小惑星探査機「はやぶさ２」観測成果論文のScience誌掲載について ( JAXAプレスリリース )

研究の内容

小惑星の表面は大なり小なり宇宙風化の影響を受けており、そのままでは“フレッシュな”物質を調査することはできません。しかし、人工クレーターを造れば、宇宙風化を受けていない小惑星の地下物質を観測できます。また、実際の天体にクレーターをつくることで、地上の実験室で導かれたクレーターのスケーリング則をテストし、微小重力下でのクレーター形成過程の数値実験と比較する研究にも貴重なデータを提供することになります。このような目的のために、リュウグウに人工クレーターを作る実験を行いました。

小惑星近傍運用中の2019年4月5日、「はやぶさ２」は小型搭載型衝突装置 (SCI: Small Carry-on Impactor) を分離し、リュウグウ地表に人工クレーターを作る運用を行い成功しました。「はやぶさ２」に搭載されていたSCIは2kgの銅製のプロジェクタイルを2km/sで衝突させるように設計されています。また、プロジェクタイルが小惑星に衝突することによって噴出物 (エジェクタ) が放出されますが、その様子を撮影する装置が分離カメラ (DCAM3) です。

図1はDCAM3が捉えたエジェクタカーテンです。実際には、連続的に撮影が行われており、エジェクタカーテンの変化の様子がわかりました。衝突により発生したエジェクタカーテンは、最初、北方に成長しました。最初の200秒間、クレーターは成長し、その後エジェクタの堆積が起きているように見えます。また、SCIによって引き起こされた掘削とエジェクタの堆積は、衝突から500秒間以上は継続していました。一方、南側にはエジェクタの放出は観測されませんでした。南側にある大きな岩 (図2 オカモト岩：SB) によってクレーターの成長が阻害されたためと考えられます。

人工的にクレーターを造ることに成功したかどうかを確認するため、SCI衝突運用から約3週間後、「はやぶさ２」は、人工クレーター探索運用を行いました。このとき「はやぶさ２」はリュウグウの上空1.7kmまで地表に近づき、18cm/pixelの空間分解能で撮像観測を行いました。

図2は、SCI衝突運用の前後で撮影した同じ領域の画像を比較したものです。地面が掘り起こされ、半円形の人工クレーターができていることがわかります。図３に、高さの計測値とクレーターの領域を示します。赤い一点鎖線で描かれた人工クレーターの直径は約14.5m、また黒い破線で描かれた人工クレーターを囲むリムの直径は約17.6mです。このクレーターサイズは、地球上で形成される場合の約7倍の大きさになります。はやぶさ２プロジェクトチームはこの人工クレーターをSCIクレーター (おむすびころりんクレーター) と名付けています。

画像を見ると、少なくとも数十cmある多くの岩塊が移動しており、大きさ5ｍ程度の大きな岩 (イイジマ岩:MB) が掘り起こされ、約3ｍ北西に動いていました。このイイジマ岩の東端に直径約3mのピット (くぼみ地形、図３の緑の点線) も発見しました。クレーターの深さは1.7m、リム頂上からピット底までの深さは約2.7mと推定されます。

SCIはイイジマ岩 (MB) とオカモト岩 (SB) の間に衝突したと推測されます。イイジマ岩は北西に移動していますが、オカモト岩は不動でした。南側に位置するオカモト岩によってクレーターの成長が阻害されたため、クレーターの形状が半円形になったと思われます。

DCAM3が撮影したクレーター形成時のエジェクタ分布から、掘削された物質の堆積物は北側に多く分布すると予想されました。堆積物の反射率は表面の物質よりも低く、画像には暗く写っています。光学航法望遠カメラONC-Tで取得した画像データの反射率変化の分布とDCAM3で撮影したエジェクタ分布から予想された堆積物の分布は、ほぼ一致しました。この堆積物があると推測された地点には、2019年7月11日に二回目のタッチダウンを行い、試料採取に成功しました。この二回目のタッチダウンで取得した試料には地下物質が含まれていると考えられ、一回目のタッチダウンで取得した表面物質と比較することで、宇宙風化の影響などもさらに詳しく知ることができると期待されます。

クレーターサイズの頻度分布を調べることにより、天体表面の年代を推定する手法がありますが、小さな物体が高速で衝突した際のクレーターサイズを予測するモデルは幾つか提案されており、どのモデルを使ったかで推定年代が一桁も変わってしまいます。リュウグウ表面については、微小重力下にあるため、表面の強度がかなり小さくても生成される衝突クレーターのサイズは強度を持たない表面に比べると小さくなります。そのため、リュウグウの表面強度を知ることがリュウグウ表面年代を知る上で重要になるわけです。

今回のSCI衝突実験の結果からは、リュウグウの表面はほとんど強度を持たないことがわかりました。すなわちSCIクレーターは微小重力下で強度を持たない砂上に形成されるクレーターとして模擬できることがわかりました。この結果に基づき、リュウグウの小惑星帯滞在期間を見積もると、640～1140万年と推定されます。これまでの研究では、この滞在期間は約600万年から約2億年と見積もられていましたので、考えられていた推定範囲の中で最も短い期間になります。このことから、リュウグウ表面の年代は107年のオーダーであると言うことができます。小惑星の表面活動やその形成 (衝突破壊や再集積) がこれまで考えられているより頻繁に起きている可能性があることがわかりました。今回の結果は、リュウグウのようなラブルパイル天体に適用されるクレーター年代の再検討を促すものです。

論文情報

タイトル

“An artificial impact on the asteroid 162173 Ryugu formed a crater in the gravity-dominated regime”

DOI

10.1126/science.aaz1701

著者

M. Arakawa^1*, T. Saiki², K. Wada³, K. Ogawa^1,4, T. Kadono⁵, K. Shirai^1,2, H. Sawada², K. Ishibashi³, R. Honda⁶, N. Sakatani², Y. Iijima^2†, C. Okamoto^1†, H. Yano², Y. Takagi⁷, M. Hayakawa², P. Michel⁸, M. Jutzi⁹, Y. Shimaki², S. Kimura¹⁰, Y. Mimasu², T. Toda², H. Imamura², S. Nakazawa², H. Hayakawa², S. Sugita^3,11, T. Morota¹¹, S. Kameda¹², E. Tatsumi^11,13, Y. Cho¹¹, K. Yoshioka¹⁴, Y. Yokota^2,6, M. Matsuoka², M. Yamada³, T. Kouyama¹⁵, C. Honda¹⁶, Y. Tsuda², S. Watanabe^2,17, M. Yoshikawa^2,18, S. Tanaka^2,18, F. Terui², S. Kikuchi², T. Yamaguchi^2‡, N. Ogawa², G. Ono¹⁹, K. Yoshikawa¹⁹, T. Takahashi^2§, Y. Takei^2,19, A. Fujii², H. Takeuchi-^2,18, Y. Yamamoto^2,18, T. Okada^2,20, C. Hirose¹⁹, S. Hosoda², O. Mori², T. Shimada², S. Soldini²¹, R. Tsukizaki², T. Iwata^2,18, M. Ozaki^2,18, M. Abe^2,18, N. Namiki^22,23, K. Kitazato¹⁶, S. Tachibana¹¹, H. Ikeda¹⁹, N. Hirata¹⁶, N. Hirata¹, R. Noguchi², A. Miura^2,18

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 (JAXA) 宇宙科学研究所 (ISAS)
3. 千葉工業大学 惑星探査研究センター
4. 宇宙航空研究開発機構 (JAXA) 国際宇宙探査センター
5. 産業医科大学 総合教育・医学基礎系
6. 高知大学 理工学部 情報科学教室
7. 愛知東邦大学 経営学部 地域ビジネス学科
8. Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS Laboratoire Lagrange
9. Physics Institute, University of Bern, National Centre of Competence in Research PlanetS
10. 東京理科大学 工学研究科 電気工学専攻
11. 東京大学 大学院理学研究科 地球惑星科学専攻
12. 立教大学 理学部 物理学科
13. Instituto de Astrofísica de Canarias, University of La Laguna
14. 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 複雑理工学専攻
15. 産業技術総合研究所
16. 会津大学 大学院コンピュータ理工学研究科
17. 名古屋大学 大学院環境学研究科 地球環境科学専攻
18. 総合研究大学院大学 (総研大) 物理科学研究科 宇宙科学専攻
19. 宇宙航空研究開発機構 (JAXA) 研究開発部門
20. 東京大学 大学院理学研究科 化学専攻
21. Department of Mechanical, Materials and Aerospace Engineeringm University of Liverpool
22. 国立天文台 (NAOJ)
23. 総合研究大学院大学 (総研大) 物理科学研究科 天文科学専攻
*責任著者
†故人
‡現所属: 三菱電機株式会社
§現所属: 日本電気株式会社 (NEC)

掲載誌

Science

関連リンク

• 理学研究科 惑星学専攻