数値シミュレーションを用いた土星の環のカッシーニ間隙形成過程の研究

点击翻译按钮获取中文摘要

土星探査機カッシーニ探査機は、土星の環の多様な構造を発見しましたが、特にカッシーニ間隙には多くの未解明構造が残されています。本研究の目的は、数値シミュレーションを用いて、土星の環のカッシーニ間隙形成の検証を行い、間隙に存在する構造の起源を明らかにすることです。現実の土星の環のシミュレーションには、膨大な数の粒子と非常に長い進化時間の計算が必要であり、現在利用可能な計算機では完全なシミュレーションが不可能です。そのため、コードを十分に最適化し、現実の物理的性質を損なわないようにスケール変換を行って考察する必要があります。2020年度には、シミュレーションコードの改良と最適化を行いました。2021年度には、土星の環と衛星の相互作用の数値実験を行いました。従来研究においても土星の環と衛星の相互作用に関するシミュレーションはありましたが、自己重力を考慮した3次元N体シミュレーションは今回が初めてとなります。本研究では、3次元N体シミュレーションを行い、カッシーニ間隙が形成と関係すると考えられるリンドブラッド共鳴による密度波を再現し、シミュレーション結果を線形摂動解析の理論研究と比較しました。非定常構造や波動の伝播しないエヴァネッセント領域の発生などの定性的な理論予測は一致していましたが、定量的な検証のための十分な空間精度での長時間シミュレーションが現状では困難であるため、さらなるコードの高速化が必要であることが分かりました。そこで、2022年度には、粒子衝突処理と時間積分のアルゴリズムを工夫することによって、シミュレーションの高速化を試みました。現状では、テスト問題では正しい結果が得られており、計算速度も向上していることが確認されています。今後の研究では、高速化されたシミュレーションコードを用いて、カッシーニ間隙における未解明構造の解析を進めて行く予定です。