氏 井 隆 之
学 位 専 攻 分 博 士 理 学
学 位 記 番 総 研 大 第
学 位 授 与 の 日 付 成 ６ 月 日
学 位 授 与 の 要 件 物 理 科 学 研 究 科 宇 科 学 専 攻 学 位 規 則 第 ６ 条 第 該 当
学位論文題目 '
論文審査委員 主 査 教 授 佐 々 木 晶 大 阪 大 学 准 教 授
准 教 授 中 孝 治 助 教 矢 創
特 任 研 究 員 裕 実 大 阪 大 学
(別紙様式2) (Separate Form 2)
論 文 内 容 の 要 旨
Summary of thesis contents
IKAROS-ALADDIN 観 測 デ ー タ に 基 づ い た 地 球 軌 道 よ り 内 側 の 宇 宙 塵 分 布 モ デ ル
A new cosmic dust distribution model inside the Earth’s orbit based on IKAROS-ALADDIN results
定
This dissertation investigates a new modeling of cosmic dust distribution inside the Earth’s orbit mainly based on in-situ dust measurement data by the Arrayed Large-Area Dust Detectors in INterplanetary space (ALADDIN) onboard the Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun (IKAROS). In addition to the modeling work, laboratory calibration experiments with the ALADDIN flight-spare were conducted with hypervelocity microparticle accelerators and a nanosecond pulsed laser. Furthermore, analysis and reduction of the measurement data from the ALADDIN are also presented as part of the dissertation.
Recent optical observation results suggest that orbital trapping of 10–100’s-μm-sized dust particles by planets’ mean motion resonances (MMRs) and dust-dust collisions are key roles in sculpting morphology of debris disks in exo-planetary systems. As is the case with extrasolar planetary systems, dust disks in our Solar System, i.e., zodiacal dust cloud and Edgeworth-Kuiper belt, are also predicted to have the characteristic morphology governed by the dust-planet MMRs and the dust-dust collisions. In order to establish a general reference model for debris disks in planetary systems, some dust distribution models in the Solar System have been developed and validated mainly from optical observation results. However, optical observation faces difficulty in revealing fine structures of the dust disk such as local size distribution, attributed to fundamental characteristics of the optical observations such as physical complexity of visible light scattering and thermal infrared emission of dust particles, which are superimposed brightness from various sized dust particles that exist in an observer’s line of sight. Moreover, optical observations from the vicinity of the Earth are not suited to investigate the inner planetary region than the Earth’s orbit because of the sunlight interference. In order to uniquely determine the size distribution and investigate the fine structure within dust disks, in-situ dust impact detection along the trajectory of spacecraft is a more promising option. Nevertheless, the dust distribution inside the Earth’s orbit has not been well investigated even by in-situ detection until now, because of the lack of sufficient flight opportunities. Furthermore, all the past in-situ
dust detectors have had only too small sensor areas to measure sparse distribution of the 10–100’s-μm-sized dust particles, which are likely to be trapped in the planets’ MMRs.
In these situations, the large-area in-situ dust detector based on PVDF named ALADDIN has been developed for IKAROS mission, in order to reveal the dust distribution between 0.7–1 AU. This study contributes to reveal and to model the size distribution and the fine structure of dust distribution, especially focusing on ≥10-μm-sized dust particles inside the Earth’s orbit mainly by using measurement data of the IKAROS-ALADDIN during its 16 months orbiting around the Sun from 0.7 to 1 AU.
This thesis presents results of laboratory calibration of the ALADDIN flight spare with three types of experiments: hypervelocity (> 1 km/s) microparticle impacts at the 2 MV Van de Graaff dust accelerator, hypervelocity (> 1 km/s) 100’s-μm-sized particle impacts with the two-stage light gas gun, and laser irradiation with the nano-second pulsed Nd:YAG laser. Considering the characteristics of analog signal processing of the ALADDIN’s detector electronics, A modified signal acquisition system and signal analysis method, which utilizes signals measured at intermediate points of the analog circuits were developed. As the results of these calibration methods, it was verified that the detection size range of the dust particles onto the ALADDIN corresponds to 3– 37 μm at the average impact velocity of 20 km/s at 1 AU heliocentric distance while representative dust density is 2.0 g/cm3.
In addition to the laboratory calibration experiments focusing on the ALADDIN’s analog signal, the ALADDIN measurement data were analyzed and reduced, by investigating the digital circuit characteristics of the ALADDIN electronics, multi-flagged features of some obtained data, and possible thermal degradation of the PVDF sensors. Based on the signal sampling rate of the analog-to-digital converter inside the digital electronics, sampling probabilities were calculated for a given amplitude of analog signal. Thus, it was found that impact events showing ≥4 V of measured signal amplitude, which are thought to be generated by impacts of ~30-μm or larger dust particles at 20 km/s, can be straightforwardly interpreted with the probabilistic sampling effect. A large portion of the ALADDIN space data have indicated multi-flagged features, which show more than one channels are flagged despite being caused by a single dust impact. These multi-flagged events have recorded appropriate event rate as dust impact frequency in the interplanetary space. From its reproductive experiment on the ground and careful analysis of the flagged signal pattern, 733 high-confidence dust impact data at ≥4 V signal were determined on the ALADDIN’s 20-μm-thick large sensors, among all the transmitted ~4500 data
(別紙様式2) (Separate Form 2)
obtained during 16-month measurement in the Earth-Venus region. In order to estimate the size of the detected dust particles at each IKAROS position of heliocentric distance, the in-flight thermal degradation of PVDF sensitivity were investigated through both static pressure and impact experiments of the heated large PVDF sensor. As the result, the possible thermal degradation of the ALADDIN PVDF seems not to affect significantly on the detectable size of impacting dust particles. Consequently, a total amount of such large dust particles detected by the ALADDIN measurement is more than 10 times of that of the past in- situ dust detectors. Thus, the applicability of the ALADDIN to measuring ≥10-μm-sized dust particles inside the Earth’s orbit was verified. The dust particles in this size range correspond to the dust particles observed by optical observations and also the dominant-sized dust in the characteristic dust distribution governed by the planets’ MMRs.
The number density calculated with part of the reduced ALADDIN data in the Earth’s trailing region was compared with the existing standard dust flux model (Grün flux) at 1 AU heliocentric distance, which was established on the in-situ measurement at the vicinity of the Earth. It was found that there was a clear discrepancy between them, which should be caused by the dust-Earth MMRs and the dust-dust collisions. In order to reproduce the observed azimuthal discrepancy, a new dust distribution model was developed by combining the existing MMRs- only model and the collision-only model. The new model has an ability to simultaneously handle the effect of the dust-planet MMRs and the dust-dust collisions for the dust distribution modeling in the interplanetary space. As the result, the newly developed model demonstrates a better estimate than the past MMRs-only model or the collision-only models for azimuthal variation of the dust number density at 1 AU heliocentric distance observed by the ALADDIN. In the future, this model calculation will be expanded to the Venus orbit for interpreting the ALADDIN data measured around its closest approach to Venus, and then a new comprehensive view of the cosmic dust distribution between the two planet-MMRs regions by the Earth and Venus can be achieved.
博 士 論 文 の 審 査 結 果 の 要 旨
Summary of the results of the doctoral thesis screening
定IKAROS-ALADDIN 観 測 デ ー タ に 基 づ い た 地 球 軌 道 よ り 内 側 の 宇 宙 塵 分 布 モ デ ル
A new cosmic dust distribution model inside the Earth’s orbit based on IKAROS-ALADDIN results
定
定 定 本 研 究 陽 光 ル 型 実 証 ッ ョ ン I K A R O S 探 査 機 定 の 大 面 積 膜 材 に 搭 載 さ た 宇 宙 探 査 史 最 高 の 空 間 分 解 能 を 持 日 本 初 設 計 開 校 正 運 用 さ た 計 測 器 あ A L A D D I N の デ ー タ 解 析 を 通 地 球 よ び 金 星 近 傍 の 大 型 の 分 布 構 造 に い 従 来 の 理 論 モ デ ル や 光 学 観 測 予 見 さ い た 値
を 世 界 初 実 証 そ に 独 自 の 分 布 モ デ ル 意 味 づ を よ う た
の あ 特 に 以 の ３ 項 目 に い 学 術 成 果 を あ い 定
。 1 ) 定 P V D 切 計 測 器 の 大 型 衝 突 の 校 正 曲 線 の 出 定
個 別 の 地 試 験 装 置 校 正 困 の 衝 突 速 度 領 域 に 対
複 数 の 衝 突 試 験 装 置 短 ル ー ー を 組 合 わ 統 合 的 校 正 曲 線 を く に 成 功 た に よ り 定 P V D 切 計 測 器 の 宇 宙 実 測 デ ー タ を 適 に 解 釈 よ う に た そ の 結 果 A L A D D I N 1 0 ン ー ー の の 超 高 速 衝 突 を 検 出 の に 適 た 計 測 器 あ を 証 明 た 定
。 「 ) 定 A L A D D I N の 全 検 出 信 号 信 頼 性 の 高 い 大 型 衝 突 信 号 の 識 別 抽 出 定
定 A L A D D I Nの 検 出 感 度 限 界 ン ー ー の 衝 突 に あ 一 部 ン の 回 路 の 不 具 合 他 機 器 動 作 時 の 同 期 ノ 日 心 距 短 い に よ 熱 劣 化 型 探 査 機 ゆ え の 厳 い ソ ー に 起 因 信 号 回 路 よ び 探 査 機 C P U の ン タ ー ェ
の 制 約 真 の 衝 突 信 号 を 識 別 抽 出 際 に 考 慮 課 題 多 い 本 研 究 を 一 一 吟 味 4 0 0 0 個 以 の 信 号 有 効 デ ー タ を 約 「 7 0 0 個 さ に 今 回 の 科 学 目 標 あ 大 型 の 分 布 構 造 の 解 明 に 資 高 品 質 デ ー タ を 7 0 0 個 以 識 別 に 成 功 た 過 去 の 探 査 機 よ り 一 桁 以 統 計 的 に 信 頼 性 高
い ッ の 算 出 を 可 能 に た 定
。 」 ) 定 惑 星 間 の 平 均 運 動 共 鳴 及 び 相 互 衝 突 を 同 時 に 考 慮 た 新 い 分 布 モ デ ル の 開 定
A L A D D I N の 計 測 結 果 に 基 づ 地 球 近 傍 の 実 測 デ ー タ 外 挿 さ い た 従 来 の 分 布 標 準 モ デ ル 内 惑 星 領 域 よ び 地 球 軌 道 の 位 相 方 向 に 対 過 評 価
い を 示 た そ の 原 因 地 球 金 星 の 惑 星 間 の 平 均 運 動 共 鳴 よ び 相 互 衝 突 未 検 討 あ 故 の 仮 に 立 両 者 を 同 時 に 考 慮 独 自 の
分 布 モ デ ル を 案 た そ の 結 果 A L A D D I N 地 球 金 星 の 周 陽 ン
ン 内 の ッ 領 域 を 実 測 た を 実 証 に 濃 集 領 域 ッ 領
域 の 比 率 の 計 算 結 果 を 平 均 運 動 共 鳴 モ デ ル 単 体 よ り 実 測 に よ り 近 づ よ
う に た 定
(Separate Form 3)
定 深 宇 宙 空 間 の 計 測 研 究 自 体 宇 宙 探 査 の 歴 史 同 長 さ を 持 伝 統 あ 宇 宙 科 学 分 の ー あ A L A D D I N 以 前 の 陽 系 内 分 布 構 造 の 研 究 に い 光 学 観 測 に よ 散 乱 光 の 積 分 値 口 径 ゆ え に さ
の を 少 数 検 出 不 確 性 の 高 い 計 測 器 に よ 実 測 依 拠
デ ー タ た A L A D D I N の 場 本 研 究 の 成 果 に よ り 惑 星 の 平 均 運 動 共 鳴 軌 道 力 学 的 影 響 を 受 や い 大 の 分 布 構 造 を 初 実 測 研 究 よ う に た 記 項 目 の 研 究 成 果 う た A L A D D I N に よ 科 学 成 果 の 創 出 に 不 可 欠 あ り 出 願 者 そ の 全 主 要 役 割 を 担 た た 今 後 地 球 金 星 周 辺 の 独 自 分 布 モ デ ル を 独 自 に 展 さ に よ り 陽 系 外 の 惑 星 系 の デ
デ に 埋 た 未 知 の 惑 星 の 見 や 質 推 に 分 布 比 率 の 観 測 新 規
の ー り う 道 を 開 く の あ 定
さ に 今 回 の 校 正 実 験 や デ ー タ 解 析 の 成 果 を に A L A D D I N を 改 良 J A X A 検 討 中 の 木 星 圏 ソ ー ー 電 力 ル に よ 外 惑 星 領 域 分 布 の 計 測 に 応 用
以 本 研 究 陽 系 科 学 文 学 宇 宙 工 学 を ー 学 際 研 究 に 貢
献 う 学 術 的 価 値 の 高 い 研 究 あ 評 価
