重力不安定によるガス惑星形成と原始惑星系円盤の進化
町田 正博（九州大学）

 

　近年の観測によって多種多様な惑星系が見つかっている。発見された惑星系は太陽系と類似しているものもあるが、太陽系と大きく異なるものも多い。例えば、直接撮像法によって発見された惑星は、木星以上の質量を持ち中心星から数10AU以遠を軌道運動している。また、従来の観測が示しているように中心星のごく近傍には、ホットジュピターと呼ばれる木星以上の質量を持つ惑星も数多く存在する。ケプラー望遠鏡によって地球サイズ、または海王星サイズの惑星が数多く発見されたが、公式に確認されている系外惑星全体では、木星サイズ、またはそれ以上の大きさを持つ惑星が非常に多い。これらの惑星や太陽系と異なる惑星 系がどのように誕生したのかを理解することは惑星形成過程を理解する上で重要である。しかし、惑星形成のスタンダードモデルでこれらの惑星(系)を説明するのは難しい。スタンダードモデルは太陽系を再現するように構築されたものであり、このモデルが他の惑星系に適用できるかは定かではない。また、このモデル を用いても誕生する惑星系は太陽系と類似した系であり上記のような多種多様な惑星系の存在を説明するのは困難である。現在信じられているスタンダードモデルが他の惑星系に適用出来ないのであれば、太陽系形成や地球形成についての形成シナリオも再考する必要があるかもしれない。

　星や惑星の母体となるガス円盤(原始惑星系円盤)は、分子雲コアと呼ばれるガスのかたまりの中で誕生する。電波観測によって分子雲コアの特徴は詳しく調べられている。他方、惑星が誕生する直前の円盤の観測は困難である。これは、円盤の空間スケールが小さいことと、円盤が濃いガス雲の中に埋まっていることに起因する。近年AMLAによって星が誕生した直後の円盤の構造が解き明かされつつあるが、観測から惑星の初期条件である円盤の性質を決定することは、いまだ難しい。そのため、何ら矛盾無く惑星形成過程を理解し、正しく惑星形成論を構築 するためには、分子雲コアを初期条件として、その中でガスが収縮する過程さらには星の誕生、円盤の成長、惑星の誕生と成長を理解する必要がある。
分子雲の収縮過程は、様々な現象が複雑に絡み合っているために数値シミュレーション を必要とする。しかし、このようなある意味第一原理的な計算は非常に計算コストが高く今まであまり実行されていなかった。

　この研究では、最新のスーパーコンピュータと多層格子法という数値計算技術を用いて星が誕生する前の分子雲コアを初期条件とし、その発展を計算し惑星形成過程を理解することを目的とする。多層格子法とは、空間分解能の低いグリッドで全体を覆いながら、細かいグリッドで空間分解能の必要な領域を覆う手法であり、異なるグリッドの境界での流速を正しく接続することによって、粗いグリッドから細かいグリッドまで一体として時間を推進する。この手法は、星間の動的収縮から星、円盤や惑星が形成するまでの計算に適しており、原始星、星 周円盤、惑星と分子雲コアという空間スケールが大きく異なる天体を同時に空間解像することが出来る。

　分子雲コアは収縮後に、徐々に密度と温度が上昇し、最終的には収縮が止まり原始星を形成する。原始星形成の前後には、ジェットとアウトフローという質量放出現象が現れる。また、原始星の周りでは原始惑星系円盤が成長する。さらに原始惑星系円盤中で円盤自身の重力による分裂が起こり、惑星質量の天体が誕生する。図(犬塚、町田、松本2010より)は、現在までの数値シミュレーションの結果であり、異なるスケールでの構造を示している。左のパネルに見られるよう、より大きなスケールでは中心近傍からアウトフローが出現している。また右上のパネルから分かるように、アウトフローの根元では原始惑星系円盤が形成しているのが分かる。さらに右下のパネルでは、原始惑星系円盤中で分裂によって原始惑星が誕生しているのが分かる。今後、この計算をさらに発展させて、このような系のさらなる進化を調べる。その結果、惑星形成の初期条件である原始惑星系円盤の状態が理解できると期待される。また、シミュレーションの結果をALMAなどの最新の観測と比較することにより惑星形成のみならず星形成過程のより深い理解を目指す。

 

« 公募研究の一覧へもどる