太空數據公司 CSO 兵頭龍樹博士透過三維模擬深入研究微小隕石的超高速碰撞現象

株式會社SPACE DATA(總部:東京都港區，代表取締役社長:佐藤航陽，以下簡稱「SPACE DATA」)謹此宣布，由本公司首席科學官(CSO)兵頭龍樹博士(同時兼任行星科學/AI科學的大學教師)擔任主要作者的論文，已於2026年6月20日在地球行星科學領域的國際學術期刊「Earth and Planetary Science Letters」上發表。本研究著眼於宇宙中普遍存在的「超高速碰撞」現象本身，利用世界頂尖的三維碰撞模擬技術，詳細地視覺化並解析了岩石質微小隕石(微隕石)以每秒30公里的速度撞擊冰質天體的過程。研究結果揭示，碰撞體(隕石)與目標物各自的孔隙率(內部空隙的比例)對隕石坑的形成過程以及衝擊造成的加熱與蒸發程度有著顯著影響。

背景:宇宙中持續不斷發生的「超高速碰撞」現象

天體碰撞是逐漸改變行星表面地形、組成和溫度狀態的最基本宇宙現象之一。特別是在太陽系中，無數來自小行星、彗星和海王星外天體的「微小隕石(微隕石)」——約數微米至亞毫米級的「宇宙塵埃」——漂浮著。在外行星區域，被行星強大引力吸引的微小隕石，正以每秒10至100公里的超高速不斷撞擊著行星環和衛星等天體表面。

人們一直認為，在這種超高速碰撞中，碰撞體會瞬間承受強烈的衝擊波，並加熱、熔化、蒸發，噴出高溫蒸氣和熔融粒子。然而，這種碰撞現象「實際如何進行，碰撞體會經歷多大的壓力與溫度」,特別是碰撞體與目標物孔隙率(內部空隙比例)的差異將如何影響其結果，在微小隕石的尺度上仍未被充分了解。由於大多數微小隕石是岩石質(非冰質),而目標天體通常是冰質的，且兩者可能具有顯著不同的孔隙率，因此預計碰撞的進程並非一成不變。

本研究主要考慮的對象是土星環，它也是日本下一代探測計畫的候選天體之一。據信，土星環頻繁發生著速度約每秒30公里的超高速碰撞。土星環會受到來自外部的非冰質微小隕石的「污染」,其污染程度也被用來推測環的年齡。因此，準確理解這些落下的微小隕石透過「碰撞現象」究竟會發生什麼，是解讀土星環等天體表面演化的關鍵第一步。

研究概要:超高速碰撞中微小隕石的命運

本研究的主要推動者兵頭龍樹博士是碰撞現象的專家，並已投入十多年時間研究土星環的起源這一難題。目前，他同時擔任SPACE DATA的首席科學官(CSO),並在東京科學大學地球生命研究所及立教大學大學院人工智慧科學研究科等機構擔任特任副教授進行研究與教學工作。此次的成果也是他長期累積研究的延伸。

研究團隊利用世界頂尖的三維碰撞計算代碼「iSALE-3D」,以超高解析度模擬了岩石質(輝長岩)微小隕石以每秒30公里的速度斜向(45度)撞擊冰質目標物的過程。進一步地，他們獨立改變了隕石和目標物各自的孔隙率(從無空隙的0%到極度多空隙的90%這兩極端的組合),並研究了碰撞後瞬間的隕石坑形成以及隕石所經歷的最高壓力與最高溫度。同時，他們還建立了一個用於物理性解釋計算結果的半解析模型(基於數學公式的簡便預測模型),清晰地展示了碰撞能量如何分配到「物質壓縮」和「空隙潰縮(不可逆耗散)」上。

改變目標物與隕石孔隙率組合的三維碰撞模擬(碰撞速度每秒30公里，碰撞角度45度，隕石半徑10μm)。顏色代表溫度。從深層貫入的細長空洞到近表面的爆炸性蒸氣擴散，碰撞後瞬間的景象因孔隙率組合的不同而發生巨大變化。(出處:Hyodo et al. 2026, Earth and Planetary Science Letters/CC BY 4.0)

主要成果

1. 碰撞後瞬間的隕石坑形狀因孔隙率組合而劇烈變化

當無空隙的隕石撞擊孔隙率高(90%)的冰質目標物時，隕石會深層貫入目標物，形成充滿高溫蒸氣的細長空洞。

反之，當孔隙率高(90%)的隕石撞擊無空隙的冰質目標物時，幾乎不會貫入，而在近表面處形成高達一萬度的高溫蒸氣爆炸性擴散。

若雙方的孔隙率大致相同，則形成介於兩者之間、更接近半球狀的隕石坑。

2. 隕石承受的最高壓力與最高溫度，因孔隙率而相差約一個數量級

孔隙率越高(空隙越多),碰撞能量越會消耗於潰縮空隙(不可逆耗散),傳遞給隕石的衝擊壓力就越弱。結果發現，隕石所經歷的最高壓力與最高溫度，因孔隙率組合的不同而有近10倍的差異。

3. 儘管如此，在每秒30公里的高速碰撞下，岩石質微小隕石「幾乎確定」會蒸發

儘管最高壓力與最高溫度有如此大的差異，研究表明，岩石質微小隕石無論在何種隕石與目標物孔隙率組合下，都會被有效加熱並蒸發。此外，在隕石深層貫入孔隙率高的冰質目標物時，由於與目標物產生的水蒸氣進行熱交換，即使隕石未直接承受強烈衝擊，也會達到高溫。

本成果的意義:不僅限於土星，對宇宙碰撞現象的影響

本成果的意義在於，從隕石坑的形成到衝擊加熱與蒸發，一貫地揭示了「孔隙率這一物質的內部結構支配著超高速碰撞現象的結果」。透過數值計算和新建立的半解析模型，定量地展示了碰撞能量如何分配到物質本身的壓縮和因空隙潰縮造成的不可逆加熱上，使得對超高速碰撞現象的普遍理解向前邁進了一步。

這些發現也直接關係到土星環的形成。過去，人們普遍假設來自外部的非冰質微小隕石會「そのまま」污染環。然而，本研究表明，這些污染源微小隕石在碰撞過程中幾乎會蒸發。也就是說，微小隕石並非以原來的形狀被吸收到環中，而是必須經過蒸發、凝結、化學變化等巨大的熱力學和化學過程後才能殘留在環中。這與兵頭博士等人於2025年在「Nature Geoscience」期刊上發表的關於土星環粒子「抗污染性」的研究結果一致。同時，研究也暗示了環粒子孔隙率的差異可能影響碰撞產生的蒸氣量和能量耗散。

而且，這種超高速碰撞不僅發生在土星，在外行星區域等許多天體表面也普遍存在，並在漫長的時間裡改變著表面的結構、組成和熱狀態。此次獲得的「碰撞現象的進程與孔隙率的作用」的見解，可以廣泛應用於理解土星以外各種行星環境中的碰撞與表面演化。

未來展望

本次研究處理的是岩石質隕石撞擊冰質目標物的案例，研究團隊今後計劃將研究擴展到冰質隕石撞擊岩石質目標物的反向情況，以及更廣泛的碰撞速度、孔隙率和組成範圍。此外，也將應用於SPACE DATA提供的、用於整合監測、分析和預測太空威脅的宇宙AI平台「SpaceBrain」,以連接研究與產品。

SPACE DATA秉持著「邁向人人皆能運用宇宙的社會」的理念，推動宇宙的民主化，致力於實現一個讓任何人都能接觸並理解宇宙的社會。像這次這樣的基礎研究，有助於更深入地理解宇宙中發生的現象。SPACE DATA今後也將持續將挑戰宇宙根本性問題的研究成果傳達給社會。

論文資訊

刊載期刊:Earth and Planetary Science Letters(2026年6月20日線上刊載)

論文標題:Numerical simulations of hypervelocity micrometeoroid impacts: Rocky impactors onto icy targets and the role of porosity

作者:兵頭龍樹(株式會社SPACE DATA/東京科學大學 地球生命研究所/立教大學大學院 人工智慧科學研究科/巴黎西岱大學)、脇田茂(Purdue University)Brandon C. Johnson(Purdue University)

DOI:10.1016/j.epsl.2026.120179

URL:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120179

※本論文以開放取用(CC BY 4.0)方式公開，任何人皆可閱覽全文。

※本新聞稿旨在以淺顯易懂的方式介紹研究成果。詳細的專業內容與前提條件請參閱原著論文。

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