共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 惑星形成環境における惑星材料物質としての氷微粒子の成長・移動過程
新規・継続の別 継続（平成23年度から）
研究代表者／所属 千葉工業大学惑星探査研究センター
研究代表者／職名 上席研究員
研究代表者／氏名 和田浩二

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 奥住聡 名大大学院理学研究科 学術特別研究員SPD

2

 小林浩 名大大学院理学研究科 特任助教

3

 竹内拓 東工大大学院理工学研究科 特任准教授

4

 田中秀和 北大低温研

5

 谷川享行 北大低温研

研究目的 惑星形成理論の標準モデルにおいては、ダスト粒子合体成長とその後の惑星形成は原始惑星系円盤において移動せず進行すると考えられてきたが、最近では微粒子や惑星の大幅な移動についての観測的・理論的証拠が相次いで報告されてきており，惑星形成過程全体の大幅な見直しが必要となっている．このダスト粒子移動過程は微粒子の内部構造やサイズに大きく依存しているため，惑星形成過程の再検討において現実的なダスト粒子成長・構造進化モデルの構築が急務となっている．本研究では惑星形成の第1段階における低温領域からの氷物質大量供給過程を定量的に明らかにし、原始惑星系円盤の天文観測結果解析に用いるダストモデルの構築を目指す.
　　
研究内容・成果 昨年度までは、ダスト成長・移動過程による低温領域からの氷微粒子大量供給過程のモデルを構築した。その結果、惑星形成領域に内部密度の極端に低い天体が形成されることを明らかにした．今年度は以下の各テーマについて研究を行った。
1. ダスト成長・移動過程におけるガス動圧による圧縮効果
2. 氷微惑星の衝撃波加熱による蒸発と氷微粒子供給
3. 微惑星衝突破壊による破片微粒子供給
以下では、各テーマにおける研究内容と成果について述べる。
1. ダスト成長・移動過程におけるガス動圧による圧縮効果
昨年度までの研究においては、天体圧縮過程として衝突圧縮のみが考慮されていた。今回はガス動圧や天体自己重力による準静的な圧縮過程を調べ氷天体の進化を再検討した。まず、高空隙率天体の準静的圧縮過程を数値計算を行うことにより、天体の圧縮強度を調べた。多数の圧縮数値計算を行った結果、圧縮強度は空隙率の3乗に比例するという普遍的な経験式が得られた。この高空隙率天体の圧縮強度経験式を用いて、氷天体の成長と移動過程を再計算した。円盤内での移動が主に起こる100mサイズの段階では、ガス動圧による静的圧縮が効果的に進行し、その結果天体内部密度は2桁程上がる。これにより微惑星形成領域は多少狭まり6AU以内となった。さらに、天体がkmサイズ以上に成長すると自己重力による圧縮が効き始め10kmサイズでは空隙率は90％程度となり彗星やカイパーベルト天体と同程度まで圧縮される。
2. 氷微惑星の衝撃波加熱による蒸発と氷微粒子供給
惑星形成後では、そのまわりに存在する微惑星は軌道が乱され、円盤ガスに対し毎秒1km以上の大きな相対速度を持ち衝撃波をたてるようになる。この衝撃波による氷微惑星の加熱とそれによる微惑星蒸発の可能性について調べた。その結果、惑星が木星型惑星の固体コア程度の質量にまで成長すると、氷微惑星蒸発が効率良く進行することを示した。また、蒸発した水蒸気の再凝縮により、大量の氷微粒子が供給されることも示した。このように生成された氷微粒子は原始惑星系円盤観測において同定される可能性がある。
3. 微惑星衝突破壊による破片微粒子供給
天体衝突破壊による破片微粒子供給率は天体の強度に依存する。しかし、自己重力で固まった天体の強度については低精度数値計算のみでしか調べられていなかった。今回、1千万粒子を用いたSPH計算によって天体衝突の数値シミュレーションを多数行い自己重力天体の強度の再検討を行った。その結果、高精度計算による値は従来求められていた強度に比べて1桁近く小さいことが明らかになった。これにより、破片微粒子供給率も10倍程度増大する。
　　
成果となる論文・学会発表等 査読論文
T. Suyama et al. Geometric cross sections of dust aggregates and a compression model for aggregate collisions. ApJ 753， 115 (10pp) 2012
S. Okuzumi et al. Rapid coagulation of porous dust aggregates outside the snow line: A pathway to successful icy planetesimal formation. ApJ 752， 106 (18pp) 2012
H. Tanaka et al. Growth of cosmic dust aggregates and reexamination of particle interaction models. Prog. Theor. Phys. Suppl. 195， 101-113， 2012
K. K. Tanaka et al. Evaporation of Icy Planetesimals due to Planetesimal Bow Shocks， ApJ 764， 120(11pp) 2013
国際学会発表
K. Wada et al. Numerical Simulation of Collisions of Dust Aggregates Composed of Particles with Size Distributions， Dust and Grains in Low Gravity and Space Environment， ESA/ESTEC， Netherlands， 2012/4/3
H. Tanaka Growth of Dust Aggregates in Protoplanetary Disks and Reexamination of Particle Interaction Models， Planet Formation and Evolution 2011， Ludwig-Maximilians-Universität， Germany， 2012/9/4