共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 原始惑星系円盤における低温物質進化と惑星形成の相互作用
新規・継続の別 継続（平成22年度から）
研究代表者／所属 東北大・理
研究代表者／職名 助教
研究代表者／氏名 三浦均

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 塚本勝男 東北大・理 教授

2

 中本泰史 東工大・地惑 准教授

3

 長沢真樹子 東工大・グローバルエッジ研究院 特任助教

4

 木村勇気 東北大・理 助教

5

 山本哲生 北大低温研

6

 田中今日子 北大低温研

研究目的 本研究の目的は，原始惑星系円盤での固体物質進化を明らかにすることである。氷やシリケイトなどの固体微粒子は，円盤ガスとの相互作用によって様々な熱的進化を経験する。我々は，惑星形成初期段階において微惑星が楕円軌道を取ることによって生じる「微惑星バウショック」により，衝撃波を引き起こした微惑星が強く加熱されることを示した。特に氷などの低温物質からなる微惑星は，蒸発による半径収縮などにより，その成長過程に大きな影響を受けることが明らかとなった（平成23年度）。本継続申請においては，円盤ガス中との相互作用による氷微惑星蒸発に注目し，それが惑星形成シナリオや系外惑星観測に与える影響について議論した。
微惑星バウショックによる氷微惑星蒸発現象の模式図。衝撃波で加熱された円盤ガスが微惑星表面を加熱する。　氷微惑星の蒸発時間。雪線外側において，ガス円盤寿命（〜100万年）よりも早く氷微惑星が蒸発し得る。　マンガン蒸気からナノ粒子が凝縮する過程の干渉像。パネルcに見える黒い筋が凝縮したナノ粒子である。
研究内容・成果 以下の4班に分かれて基礎研究を行ない，研究成果を元に北大低温研にて研究打ち合わせを行なった。
・衝撃波加熱現象の数値解析班（田中・中本・三浦）
惑星形成過程において，微惑星が楕円軌道化すると，太陽周囲を円運動するガス円盤との間に相対速度が生じる。離心率が0.05程度を越えると，相対速度が音速を越えてバウショックが発生する。衝撃波通過後の高温ガスと微惑星表面の間の熱輸送効率を表すスタントン数を理論的・実験的に評価し，想定しうるパラメータ範囲に対して微惑星蒸発速度を定量的に評価した。その結果，氷微惑星蒸発が生じる衝撃波速度（もしくは離心率）や蒸発のタイムスケールを，氷微惑星半径や中心星からの距離の関数として定式化した。これらの式を惑星形成の寡占的成長段階シナリオに適用したところ，氷が固体として存在する円盤外側領域（雪線の外側）においても氷微惑星が効率的に蒸発することが分かった。これにより，氷微惑星が原始惑星に降り積もることができずに，巨大ガス惑星の形成が妨げられる可能性が示唆された。

・ダスト蒸気からの結晶成長理論班（田中・山本）
氷微惑星の蒸発により生じた氷蒸気が急冷すると，核形成を経て氷の微結晶が形成する。“衝撃波加熱現象の数値解析班”がまとめた氷微惑星蒸発モデルに核形成理論を適用することで，氷微結晶の凝縮温度やサイズを求めることができる。そこで，“ダスト蒸気からの結晶化実験班”が行なったマンガン粒子の凝縮実験に核形成理論を適用し，その精度の検証を行なった。その結果，代表的な二種類の核形成理論（古典論，半現象論）がいずれも実験結果を良く説明できることが分かった。気相からの凝縮実験と核形成理論の詳細比較は本研究が初めてである。今後，初期太陽系における氷微結晶形成などへの応用が期待できる。

・惑星形成とガス円盤の相互作用班（長沢）
原始惑星系円盤中における原始惑星および微惑星の軌道運動について検討を行った。惑星形成過程において離心率の大きくなったキロメートルサイズの天体が持ちうるガスとの相対速度の軌道平均値を解析計算し，衝撃波加熱現象の数値解析班の解析のための基礎パラメーターを確定した。

・ダスト蒸気からの結晶化実験班（木村・塚本）
ダスト蒸発・凝縮実験を実施し，蒸気中で核形成を経てナノ粒子が凝縮する様子を干渉計により“その場”観察した。純Ar混合ガス中でマンガンを蒸発させた場合，核形成が生じたときの蒸気の過飽和度は約5x10^4もの高い値になっていることが明らかとなった。また，“ダスト蒸気からの結晶成長理論班”の理論研究を合わせることで，ナノ粒子の表面自由エネルギーと吸着係数という2つの物理量を独立に求めることに成功した。
微惑星バウショックによる氷微惑星蒸発現象の模式図。衝撃波で加熱された円盤ガスが微惑星表面を加熱する。　氷微惑星の蒸発時間。雪線外側において，ガス円盤寿命（〜100万年）よりも早く氷微惑星が蒸発し得る。　マンガン蒸気からナノ粒子が凝縮する過程の干渉像。パネルcに見える黒い筋が凝縮したナノ粒子である。
成果となる論文・学会発表等 H. Kobayashi， H. Kimura， S. Watanabe， T. Yamamoto， and S. Mueller， Earth， Planet， and Space， in press (2012)
E. Zubko， G. Videen， Y. Shkuratov， K. Muinonen， and T. Yamamoto， Icarus， 212， 403-413 (2011)
E. Zubko， R. Furusho， K. Kawabata， T. Yamamoto， K. Muinonen， and G. Videen， J. Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 112， 1848-1863 (2011)
K. K. Tanaka， H. Tanaka， T. Yamamoto， and K. Kawamura， J. Chem. Phys. 134， 204313 (2011)
H. Miura， E. Yokoyama， K. Nagashima， K. Tsukamoto， and A. Srivastava， Earth Planets Space 63， in press.
Y. Kimura， H. Miura， K. Tsukamoto， C. Li， and T. Maki， J. Crys. Growth 316， 196 (2011)
H. Miura， E. Yokoyama， K. Nagashima， K. Tsukamoto， and A. Srivastava， J. Appl. Phys. 108， 114912 (2010)
H. Miura， K. K. Tanaka， T. Yamamoto， T. Nakamoto， J. Yamada， K. Tsukamoto， and J. Nozawa， Astrophys. J. 719， 642 (2010)