茨城大・工学院大・東北大、国立天文台「アテルイII」で原始惑星系円盤のリング構造が惑星形成の歴史を残している可能性を示唆

発表日:2021年11月13日

原始惑星系円盤のリング構造が惑星形成の歴史を残している可能性を示唆

最新の観測とスーパーコンピュータから世界で初めて解明:新たな惑星形成理論を展望

茨城大学、工学院大学、東北大学らの研究グループは、国立天文台の天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイII」を用いた数値流体シミュレーションにより、原始惑星系円盤にて観測されるリング構造が惑星形成の歴史を示している可能性を明らかにしました。

惑星は生まれたての若い星の周囲にある「原始惑星系円盤」で作られます。近年、チリの大型電波干渉計「アルマ望遠鏡」によってその詳細な構造が明らかになってきており、原始惑星系円盤にはリング状の構造がたくさん存在することなどが分かっています。このリング構造を作り出す要因のひとつに、円盤内で形成される惑星の存在が考えられています。

これまで惑星によって作られたリング構造には、常に惑星が付随するものと考えられてきました。しかし今回の計算から、惑星が生まれたときに形成されたリング構造はその場所に残る一方、惑星は中心の星に向かって、リングを「置き去り」にして移動する場合があるということが分かりました。移動した惑星はその先で新たなリングを作ることから、原始惑星系円盤内で動いた惑星の「始点」と「終点」に2つのリングが作られることになります。この計算結果は、観測されているリング構造が惑星形成の歴史をそのまま残している可能性を示唆しています。

今後、次世代の望遠鏡であるTMTやngVLAによって、内側に移動した惑星を直接見つけることが出来れば、この説が裏付けられると期待されます。

この成果は、11月12日（EST）、The Astrophysical Journalに掲載されます。

■背景

太陽以外の星を公転する惑星(系外惑星)は、これまでに4000個以上見つかっています。これらの惑星は、星が生まれるときにその周辺にできる「原始惑星系円盤」（注1）に塵やガスが集まることで作られたと考えられています。その形成過程を解明するため、近年、ハワイのすばる望遠鏡やチリの大型電波干渉計「アルマ望遠鏡（注2）」によって原始惑星系円盤での惑星の痕跡、あるいは惑星そのものを探す観測が盛んにおこなわれており、その結果、原始惑星系円盤にはリング状の構造が多数存在していることが分かってきました（図1）。

このようなリング構造の成因は、理論的にいくつか考えられています。その一つが惑星の存在です。原始惑星系円盤内に惑星が形成されると、その惑星が周辺のガスと重力を及ぼし合うことにより、惑星の通り道に沿って円盤のガスや塵の密度が下がることが、数値シミュレーションによって確かめられています。惑星の通り道に沿った密度の薄い領域（ギャップ）は、惑星の形成を示す重要な痕跡と考えられており、それらの構造の位置・幅・深さなどが惑星形成にどう関係しているかについて、世界中で研究が取り組まれています。

アルマ望遠鏡では主に円盤ガスに含まれる微量の塵（ほこりや砂粒のような固体の微粒子、以下「ダスト」）による熱放射を観測しています。そのようなダストはギャップ構造のすぐ外側にリング状に集まることが理論的に知られていました。従って、アルマ望遠鏡で観測されるようなリング構造には、そのすぐそばに惑星があるという可能性が示唆されてきました。

加えて、これまでの理論的な研究から、惑星が作る円盤ガスのギャップの構造には円盤内のガスの乱流の強さが重要であると考えられてきていました。アルマ望遠鏡による観測的研究によって、円盤の乱流は弱く、原始惑星系円盤には静かな流れが生じていることが分かりつつあります。しかし、このような弱い乱流の円盤の中で惑星が形成されたときにどのようなことが起こるか、ダストのリングと惑星の関係がどのようになるかについては、まだ理論的に解明されていませんでした。

本研究は高解像度数値シミュレーションによって、乱流の弱い原始惑星系円盤での惑星とダストのリングの関係を世界で初めて調べたものです。

※以下は添付リリースを参照

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添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/621279/01_202111091442.pdf