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・広報理学 准教授

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。
図1：微惑星バウショックの計算結果。化学反応無しの場合。(a)温度，(b)密度。中央白丸が微惑星。　図2：化学反応あり。図2と比べ，微惑星左側のガスが低温・高密度である。境界層の厚みもより小さい。　
研究内容・成果 今年度は，主に以下の2つのテーマについて基礎研究を行なった。また，これらの成果を元に，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（田中・中本・三浦）
「微惑星バウショック」による微惑星自身の加熱過程として，高温ガスからの熱伝導と輻射伝達という，ふたつのエネルギー輸送経路が考えられる。昨年度は，主に熱伝導の影響についてのみ検討を行なった（国際学術誌Astrophysical Journalに掲載済）。これに加え，輻射伝達を考慮すると，熱伝導が無視できるような，微惑星表面から離れた距離にある高温ガスからのエネルギー伝達が生じる。氷微惑星自身が蒸発するため周囲の水蒸気密度が高い点，及び，衝撃波後面ガスの温度が1000 Kを超えることから，輻射源として特に水分子の振動輝線が効くことが分かった。水分子からの輝線放射は，ガス密度と温度の関数として与えられており，それを衝撃波後面領域において積分することによりガスからの輻射伝達率を定量的に求めた。ガス密度・温度のデータとしては，微惑星バウショックの二次元数値流体計算の結果（後述）を用いた。その結果，輻射伝達による加熱効率は，熱伝導と同程度，もしくはそれ以上であることが分かった。この結果は，ガス円盤内において楕円軌道化した氷微惑星が，熱伝導のみを考慮した場合と比較してより短いタイムスケールで蒸発することを示している。バウショックによる微惑星の蒸発は，惑星形成や軌道進化において重要な役割を果たすだろう。

・微惑星バウショックの二次元数値流体計算（中本・三浦）
「微惑星バウショック」による微惑星自身の加熱効率を定量的に評価するためには，衝撃波後面のガスの温度・密度構造を求める必要がある。我々は，微惑星周囲のガスの空間構造が軸対象であると仮定し，ZEUS-2Dコード（Stone & Norman 1992）に基づいて数値計算コードを開発した。また，従来の多次元計算では考慮されていない水素分子の熱的解離・再形成の気相中化学反応を考慮した。これは，衝撃波後面ガスが2000 Kを超えると，水素分子の解離（吸熱反応）が生じることでガスの温度上昇を妨げ，さらに，ガス冷却とともに解離した水素原子同士が結合することで熱を放出するという，温度の自己調整機能を定量的に扱うためである。実際に化学反応を考慮した計算結果は，化学反応を考慮しなかった場合と比べて，ガスの温度・密度構造に違いが見られた。図1， 2に，山崎（2013，修士論文，東京工業大学）による流体計算結果を示した。
図1：微惑星バウショックの計算結果。化学反応無しの場合。(a)温度，(b)密度。中央白丸が微惑星。　図2：化学反応あり。図2と比べ，微惑星左側のガスが低温・高密度である。境界層の厚みもより小さい。　
成果となる論文・学会発表等 K. K. Tanaka， T. Yamamoto， H. Tanaka， H. Miura， M. Nagasawa， and T. Nakamoto， Evaporation of icy planetesimals due to bow shocks， Astrophysical Journal 764， 120 (2013)
Y. Kimura， K. K. Tanaka， H. Miura， K. Tsukamoto， Direct observation of the homogeneous nucleation of manganese in the vapor phase and determination of surface free energy and sticking coefficient， Crystal Growth & Design 12， 3278-3284 (2012)
Y. Kimura， H. Miura， K. Tsukamoto， C. Li， and T. Maki， Interferometric in-situ observation during nucleation and growth of WO3 nanocrystals in vapor phase， J. Crys. Growth 316， 196 (2011)
H. Miura， K. K. Tanaka， T. Yamamoto， T. Nakamoto， J. Yamada， K. Tsukamoto， and J. Nozawa， Formation of cosmic crystals in highly supersaturated silicate vapor produced by planetesimal bow shocks， Astrophys. J. 719， 642 (2010)