东海国立大学组织 研究小组包括名古屋大学工学研究科长野法政教授和环境研究科渡边诚一郎教授，由研究组组长八木隆和米乐m6官方网站材料测量标准研究部材料结构和物理性能研究组的山下佑一郎领导。与日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 宇宙航空科学研究所研究组和太阳系科学研究部 Satoshi Tanaka 教授小行星龙宫（以下简称“龙宫」）注1)隼2」注2)收集并带回的颗粒热扩散率注3)并阐明了其热物理特性。
龙宫颗粒的切割样品使用名古屋大学和日本产业技术研究院独立开发的非接触式热扩散率测量技术进行测量，两个机构都获得了在不确定度范围内匹配的热扩散率。由热扩散率确定热惯性注4)表示物质加热或冷却的难易程度。计算出的热惯性比龙宫表层大三倍以上，表明龙宫表层内存在许多裂缝，具有热屏蔽作用这些数据是除了被用来模拟龙宫的形成之外，它还有望帮助阐明太阳系的起源
这项研究成果是隼鸟2号任务初步分析小组石材分析小组（小组负责人：东北大学中村智树教授）成果的一部分，总结分析结果的论文于2022年9月23日发表在《美国科学杂志》上。
科学''已发布在线版本。 (
https://wwwjaxajp/press/2022/09/20220923-1_jhtml）
隼鸟 2 号航天器成功回收了总计约 54 克的龙宫颗粒样本，与隼鸟 2 号航天器分离的再入舱于 2020 年 12 月返回地球。龙宫是一颗富含水和有机物的 C 型小行星，在对回收的龙宫颗粒进行初步描述（显微图像、重量、大小、形状等记录）后，其中一些被分配给 6 个初步分析人员团队于 2021 年 6 月开始进行多方面分析，计划持续约一年。这些分析结果有望为太阳系科学的发展做出贡献，例如阐明龙宫形成当前形态的过程以及地球、海洋和生命原材料之间的相互作用和演化。
龙宫最初形成时，它是一个比现在大得多的天体，人们认为它是通过反复碰撞形成现在的形状（直径约 900 m）。在对从龙宫带回的样品进行初步分析的六个小组中，以大颗粒为重点的石材分析小组（项目负责人：东北大学中村智树教授）从矿物学、岩石学和物理性质的角度分析了大小从1毫米到8毫米的总共17个大颗粒，旨在阐明龙宫的形成和演化过程。名古屋大学和日本产业技术研究院作为“石材分析小组”的成员，正在努力确定热扩散率，这是一种物理特性。比热容注5)各种热物性值可以通过热扩散率、比热容、密度的组合来换算。例如，导热率注6)和比热容用于模拟龙宫早期体内可能发生的化学反应和物质形成，而热惯性是分析龙宫今天如何容易变暖和变冷的重要值。两个机构提供的用于评估热扩散率的试件都是小块，只有几毫米见方，是常见的测量方法。闪光方法注7)不能使用。此外，由于共享测试样本不仅用于评估热物理特性，还用于分析其他机械、电、磁和成分特性，因此有必要避免在测量过程中引入人工污染物。因此，为了测量几毫米见方的不规则形状样品的热扩散率，需要一种不涉及任何加工或安装传感器的方法。
在名古屋大学，作为独特的热扩散率测量方法锁定热成像周期性加热方法注8)该方法用激光定期照射样品表面的一个点，并使用热成像技术测量热量传播到样品背面的温度分布。然后，我们选择性地提取与激光加热相同频率的时变温度，并将时间响应分布可视化。通过分析时间响应分布，可以测量平面和厚度方向的热扩散率分布。
同时，在 AIST，用形成光斑形状的激光定期照射样品，并使用高灵敏度和高空间分辨率的 InSb 传感器通过精确扫描来测量来自样品背面的红外辐射点状周期性加热辐射测温注9)该技术已被确立为高度可靠的热扩散率测量方法，包括被纳入日本工业标准（JIS）作为评估散热石墨片的方法。
每种测量技术都是一种可以在不接触的情况下测量不规则形状样品的热扩散率的方法，并且没有替代方法，因此两个机构决定对从龙宫带回的颗粒的热扩散率进行评估。
从龙宫带回的样本中，只有少数颗粒大于 1 毫米。为了评价热扩散率，使用其中第三大的颗粒(图1左，名称C0002：椭圆体，长度865mm，厚度328mm至512mm)(以下称为“C0002颗粒”)。为了评估C0002颗粒的热扩散率，从C0002颗粒上切下一个边长约为3毫米、厚度为929微米的三角形样品（图1右）。名古屋大学和日本产业技术研究院分别使用锁定热成像周期性加热法和点周期性加热辐射测温法测量了该样本的热扩散率。这两种方法都是非接触式测量技术，即在测试件中心附近照射点激光以周期性地施加热量，然后根据相对侧温度的周期性时间变化确定热扩散率。在名古屋大学，我们使用与加热循环同步的特殊热成像技术评估了样品各个方向的热扩散状态。图 2 显示了名古屋大学用于锁定热成像定期加热的设备的轮廓。将样品放置在高真空室中的网状支架上，并用底部的激光定期加热。激光聚焦在直径约15μm的样品背面，并以1Hz的频率周期性地加热样品。这会导致样本内部发生周期性温度变化，其传播取决于热扩散率。使用高灵敏度热成像技术测量到达测试件表面侧的温度的周期性变化。该热像仪配备了高空间分辨率的Ge透镜，可以测量16 mm x 12 mm区域内约330,000个点的温度变化分布，空间分辨率为25 μm。在本次测量中，我们移动了观察位置，总共采集了16张红外图像，捕捉到整个试件的温度变化。试件表面的温度变化是周期性的，通过分析各位置变化的延迟（相位）分布，可以计算出试件整个圆周方向的热扩散率分布。图 3 显示了使用锁定热成像周期性加热方法的测量结果。这是测试件表面周期性温度变化的等相线的颜色表示。由该测定求出的全周方向的热扩散率的平均值为35×10-7m2s-1
图 4 显示了使用 AIST 的点周期性加热辐射测温方法进行的热扩散率测量。将标本固定在带有六根针的高真空室中，绿色光斑是加热标本的激光束。激光聚焦在直径为 70 μm 的样品表面，并以 09 Hz 的频率打开和关闭，以周期性地加热样品的一部分。这会导致样本内部的周期性温度变化，类似于上述锁定热成像周期性加热方法。在AIST的方法中，为了测量到达测试件背面的温度的周期性变化，使用高空间分辨率的Ge透镜捕获红外辐射，然后使用用液氮冷却的高灵敏度InSb红外传感器来测量每个位置的微小温度变化。样本背面的温度变化分布受到样本内的热扩散率和复杂的外部几何形状的影响。因此，通过对测试件的形状进行三维建模，并在计算机上创建类似于实验中使用的加热环境，我们模拟了背面的温度变化，并精确确定了能够重现实验结果的热扩散率。图5显示了使用点周期加热辐射测温法的测量示例。标绘点是在试件背面测得的周期性温度变化，代表周期的延迟（相位），从试件底面到顶点每隔10μm记录一次，近似为等腰三角形。右图为利用3D模型进行温度模拟计算得到的试件在某一时刻的温度分布。热扩散率为30×10-7m2s-1时，我们能够最好地重现实验结果，并且我们估计不确定性约为 20%。
两台发动机获得的Ryugu C0002粒子的中值热扩散系数为32×10-7m2s-1±03×10-7m2s-1，两个机构的结果在不确定性范围内达成一致。根据名古屋大学评估的比热容和JAXA提供的密度，导热系数为05 W·m-1K-1，热惯性为890 J·m-2s-0.5K-1被要求。该 C0002 颗粒的热惯性如图 6 所示。小型着陆器吉祥物注10)比遥感观测到的龙宫表层热惯性还要大三倍多。这些结果表明，龙宫的表层存在许多数毫米数量级的裂缝，这些裂缝可能具有作为隔热层的显着效果。
这些有关龙宫粒子热物理性质的数据将用于模拟，以探索龙宫的初始形成和热演化过程，并有望推进阐明太阳系起源的研究。
图 2 使用锁定热成像周期性加热方法测量 Ryugu 样品的热扩散率。右侧是热成像技术拍摄的温度图像。
图3通过锁定热成像周期性加热方法获得的Ryugu样品的等相图。虚线是龙宫标本的轮廓。
图 4 使用点周期性加热辐射测温法测量 Ryugu 的 C0002 颗粒样本的热扩散率。测试件由六根针固定到位，并通过激光定期加热。
图 5 使用点周期性加热辐射测温法测量 Ryugu 的 C0002 颗粒样本的热扩散率。左边是用产业技术研究院点周期加热辐射测温法将试验片背面的温度变化延迟作为相位的曲线图，右边是在计算机上构建试验片的三维结构（3D模型）并进行热传导模拟。基于模拟的分析曲线与实际温度变化相符。
图6 本研究获得的C0002粒子的热惯量与隼鸟二号和小型着陆器MASCOT获得的龙宫表层热惯量的比较。这表明龙宫表面存在裂纹，起到隔热层的作用。 Hayabusa2 结果来自 YuriShimaki 等人，Icarus, 348, (2020), 113835，MASCOT 结果来自 M Grott 等人，Nature Astronomy, 3, (2019), 971–976。
图 2、3、4 和 5 取自 T Nakamura，Science，2022 (DOI：101126/scienceabn8671) 的图 S36、S37 和 S38，并对其进行修改。
我们计划评估在 Ryugu 上不同点获得的颗粒的微小热物理性质的分布，并更详细地阐明 Ryugu 组成颗粒的特征。
在名古屋大学，我们还将并行评估其他颗粒的比热容。此外，产业技术研究院还确认，点状周期加热辐射测温法对于微小样品的热扩散率测定是有效的，并计划今后将其应用于各种材料。
杂志名称：科学
论文标题：碳质小行星 Ryugu 的形成和演化：来自返回样本的直接证据
作者：T Nakamura 和总共 221 人（Meidai 官员：H Nagano、S Watanabe、T Ishizaki（现为 JAXA）、R Fujita、A Abdulkareem、AIST 官员：T Yagi、Y Yamashita）
DOI：101126/scienceabn8671