木星衛星イオの環境を想定した二酸化硫黄の霜の生成・成長実験および中間赤外測定

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木星衛星イオは太陽系において最も火山活動が活発であり、SO2を主成分とした希薄な大気および表面霜に覆われている。先行研究ではGalileo探査機によって地面から放出された赤外光が観測され、特定の波長の吸収スペクトルの幅や深さから表面SO2霜の大きさや疎密がイオの場所によって異なることが明らかにされている。しかし、これらの表面霜の特性と固相のSO2の生成・成長過程の関係は不明である。本研究では中間赤外波長帯における実験室分光測定と観測で得られたスペクトルの比較を通じて、イオの表面や大気に存在するSO2の凝縮・昇華による循環の理解をめざす。本年度では希薄かつ低温の大気、表面霜を実験室で再現し、赤外分光によって表面SO2霜の凝縮・昇華過程のその場測定を行った。以下の手順で実験を行った。まず、クライオスタットと真空チャンバー、ターボ分子ポンプ、等倍光学系等で構築される実験装置を構築する。実際の実験ではターボ分子ポンプを用いてクライオスタットをイオの大気圧に近い~10-3 Paまで減圧し、デュアー内に液体窒素を注ぐことによってコールドヘッドを90 Kの低温に冷却する。赤外透過ZnSeプレートにSO2ガスを噴霧することで、SO2霜を堆積させる。その後、90 K (イオの夜面や木星蝕中)から120 K(昼面)の間で温度を変化させつつ、測定用の強い赤外光を表面霜に照射した。表面霜によって吸収された光をイメージングフーリエ変換赤外線分光器(2D FT-IR, Qi et al., 2015)で吸収スペクトルを計測した。この実験の成果は天文学会等で口頭発表した。分子動力学シミュレーションを用いた詳細な結果の解釈および再実験は来年度実施予定である。