[論文レビュー] The role of material strength in collisions -- Comparing solid body and hydrodynamic physics for simulating collisions of planetesimals with icy shells

Thomas I. Maindl, R. Dvořák+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2013

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、Ceres質量の矮星が氷の殻と衝突する際の滑らかな粒子法（SPH）シミュレーションにおいて、固体体（弾塑性）モデルと流体動力学的モデルを比較し、物質の強度が破壊と水の損失を顕著に増加させることを示している。特に低〜中程度のエネルギー衝突において顕著であり、物体間の検出可能な水の移動を可能にし、初期惑星系モデルにおける完全な合体の仮定に疑問を呈している。

ABSTRACT

Context. We investigate the effects of including material strength in multi-material planetesimal collisions. Aims. The differences between strengthless material models and including the full elasto-plastic model for solid bodies with brittle failure and fragmentation when treating collisions of asteroid-sized bodies as they occur frequently in early planetary systems are demonstrated. Methods. We study impacts of bodies of Ceres-mass with a solid rock impactor and a target with 30 weight-% water content as surface ice.} The initial impact velocities and impact parameters are varied between the escape velocity $v_\mathrm{esc}$ to about 6 $v_\mathrm{esc}$ and from head-on collisions to close fly-bys, respectively. We simulate the collisions using our own SPH code utilizing both strengthless material and the full elasto-plastic material model including brittle failure. Results. One of the most prominent differences is the higher degree of fragmentation and shattered debris clouds in the solid model. In most collision scenarios however, the final outcomes are very similar and differ primarily by the about one order of magnitude higher degree of fragmentation in the solid case. Also, the survivors tend to be of less mass in the solid case which also predicts a higher water loss than the strengthless hydro model. This may be an effect of the relatively low-energy impacts that cannot destroy the solid material instantly. As opposed to giant impacts we also observe an indication that some water ice gets transferred between the bodies.

研究の動機と目的

• Ceres質量の天体に氷の表面を持つ場合、物質の強度が惑星形成体系の衝突結果に与える影響を評価すること。
• 初期惑星系シミュレーションにおいて一般的に用いられる強度なしの流体動力学的モデルの仮定を疑問視すること。この仮定は、物質移動や破壊の複雑さを単純化しすぎる可能性がある。
• 破壊の破壊挙動や弾塑性挙動を含む固体体物理学が、破片分布、質量損失、水の移動といった結果に与える影響を、流体動力学的モデルと比較して調査すること。
• 固体体モデルが正確な衝突結果予測に不可欠となる条件、特に低〜中程度エネルギー衝突や中心付近の衝突を特定すること。
• 初期惑星系の大型n体シミュレーションにおいて、計算コストの高い固体モデルを用いることの妥当性と必要性を評価すること。

提案手法

• Libersky & Petschek (1991)、Benz & Asphaug (1994, 1995) に基づく、強度なしの流体動力学的モデルと完全な弾塑性材料モデル（破壊挙動を含む）を実装したカスタムSPHコードを用いる。
• Ceres質量の標的（表面に30 wt%の水氷を含む）と固体の岩石衝突体との間で、脱出速度の1〜6倍の速度での衝突をシミュレートする。
• 正面衝突から近接飛行まで、衝突パrameterを変化させ、広範な衝突幾何とエネルギー範囲を探索する。
• 生存体と破片雲における質量損失、破片形成、水含量再分配を含む物質の進化を追跡する。
• 衝突後2000分間のシミュレーションを実施し、最終的なシステム状態と破片の長期的安定性を評価する。
• GPUアクセラレーションを用いたSPHにより性能を向上させ、CPUベース実装と比較して約50倍の高速化を達成し、大規模なパrameter空間探索を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質の強度を含めたモデルが、強度なしの流体動力学的モデルと比較して、惑星形成体の衝突における破壊度と破片雲の拡散度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 特に低エネルギー衝突において、固体モデルが流体動力学的モデルよりも氷を含む惑星形成体からの水損失をどれほど高く予測するか？
• RQ3 物質の強度が、Ceresサイズの天体間で検出可能な水（氷）の移動を可能にするか、特に「ヒット・アンド・ラン」や部分的吸着のレジームにおいて？
• RQ4 低エネルギー衝突や中心付近の衝突といった特定の衝突レジームでは、固体モデルが流体モデルと顕著に異なる結果をもたらすか？
• RQ5 初期惑星系の大型n体シミュレーションにおいて、固体体モデルを用いる際の計算コスト対効果のトレードオフはいかほどか？

主な発見

• 固体モデルでは、流体動力学的モデルと比較して約1桁多い破片が生成され、より広範かつほこりのような破片雲が形成される。
• 固体モデルにおける生存体の平均質量は、強化された破壊と物質損失のため、より小さくなる。
• 水損失は固体モデルで一貫して高く、特に低〜中程度エネルギー衝突で差が顕著に現れる。
• シミュレーションでは、特に「ヒット・アンド・ラン」や部分的吸着のシナリオにおいて、物体間での氷の移動が明確に観察された。これは流体動力学的モデルでは捉えられていない特徴である。
• 低エネルギーおよび中心付近の衝突では、固体モデルと流体モデルの差が最も顕著であり、これらのレジームでは正確なシミュレーションのために固体体物理学が必要であることが示された。
• 結果から、物質移動や破壊が重要な要因となる初期惑星系において、水の供給や小惑星族の形成を現実的にモデル化するには、固体体モデルが不可欠であると考えられる。