原始惑星系円盤形成期における物質進化の理論的研究：星間物質から惑星系物質へ

• Project/Area Number: 11J02024
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Astronomy
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 古家 健次 神戸大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2011 – 2013
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2011: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: 星・惑星系形成 / 星間化学 / 太陽系始原物質の起源 / 原始惑星系円盤 / 星形成 / 惑星系形成

Research Abstract

原始惑星系円盤は惑星形成の場である。円盤内の固体(ダスト+氷)・ガス物質の分子組成は、形成される惑星やその大気の組成に反映される。特に水や有機物は生命にとって欠かせない物質であり、円盤内におけるそれら分子の生成効率や空間分布を明らかにすることは重要である。
今年度は、円盤乱流が炭素や窒素を含んだ分子、特に複雑な有機分子(Complex Organic Molecules or COMs)生成に与える影響を調べた。その結果、乱流が弱い円盤ではCOMsは円盤赤道面で効率よく生成される一方、乱流が強い円盤では円盤表面で最も効率よく生成されることが分かった。宇宙空間においてCOMsは、低温環境(10K)で生成された氷が、紫外線照射と昇温(>20K)を経験することで生成されると考えられている。乱流により、紫外線が強く、暖かい円盤表面に氷が供給され続けることで、COMsが効率よく生成されることを明らかにした。この結果は、原始惑星系円盤の命子組成が局所的な化学反応のみでは決まらず、乱流による物質輸送が多大な影響を与えうることを意味する。結果は既に論文にまとめ、現在投稿中である。
近年の室内実験や、それらと理論モデルとの比較から、ダスト表面を覆う氷マントルの層構造や、固体表面分子の確率論的な振る舞いが、ダスト表面上での化学反応を理解する上で本質的に重要であることが分かってきた。上述の研究と並行し、固体表面での化学反応をより詳細に取り扱う手法を計算コードに実装した。具体的には、固体表面の分子の確率論的な振る舞いを記述するためのmodified rate法を導入し、加えて、氷の層構造や固体表面の吸着エネルギー分布を考慮することが可能となった。現在、新しく導入した効果の影響を調査中である。

Strategy for Future Research Activity

(抄録なし)

Research Products

• [Journal Article] DNC/HNC and N_2D^+/N_2H^+ ratios in high-mass star-forming cores (2014)
  • Author(s): Fontani, F., Sakai, T., Furuya, K., Sakai, N., Aikawa, Y., Yamamoto, S.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Societ Volume: 440 Issue: 1 Pages: 448-456
  • DOI: 10.1093/mnras/stu298
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Water in protoplanetary disks : deuteration and turbulent mixing (2013)
  • Author(s): Furuya, K., Aikawa, Y., Nomura, H., Hersant. F., Wakelam, V.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 779 Issue: 1 Pages: 11-29
  • DOI: 10.1088/0004-637x/779/1/11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ALMA Observations of the IRDC clump G34.43+00.24 MM3 : hot core and molecular outflows (2013)
  • Author(s): Sakai, T., Sakai, N., Foster, J. B., Sanhueza, P., Jackson, J. M., Kassis, M., Furuya, K., Aikawa, Y., Hirata T., Yamamoto. S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 775 Issue: 1 Pages: 31-36
  • DOI: 10.1088/2041-8205/775/1/l31
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemistry in the First Hydrostatic Core Stage by Adopting Three-Dimensional Radiation Hydrodynamic Simulations (2012)
  • Author(s): Furuya, K., Aikawa, Y., Tomida, K, Saigo, K., Tomisaka, K., Hersant, F., & Wakelam, V.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 758 Issue: 2 Pages: 86-105
  • DOI: 10.1088/0004-637x/758/2/86
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DNC/HNC Ratio of Massive Clumps in Early Evolutionary Stages of High-Mass Star Formation (2012)
  • Author(s): Sakai, T., Sakai, N., Furuya, K., Aikawa, Y., Hirota, T., & Yamamoto, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 747 Issue: 2 Pages: 140-149
  • DOI: 10.1088/0004-637x/747/2/140
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Carbon isotope and isotopomer fractionation in cold dense cloud cores (2011)
  • Author(s): Furuya, K., Aikawa, Y., Sakai, N., Yamamoto, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 731 Issue: 1 Pages: 38-47
  • DOI: 10.1088/0004-637x/731/1/38
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Water deuteration in turbulent protoplanetary disks (2013)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: Gordon research conference : origins of solar system
  • Place of Presentation: Mount Holyoke College, America
• [Presentation] 原始惑星系円盤における水の重水素比進化 (2013)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: 日本天文学会2013年秋季年会
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] 原始惑星系円盤における有機分子生成 (2013)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: 日本惑星科学会2013年度秋季講演会
  • Place of Presentation: 石垣市民会館、沖縄
• [Presentation] 乱流が原始惑星系円盤の化学構造に与える影響 (2013)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: 「宇宙における分子進化 : 星間雲から原始惑星系へ」平成25年度研究集会
  • Place of Presentation: 北海道大学
• [Presentation] 3次元輻射流体計算に基づくファーストコアの分子組成進化 (2012)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: CfCA Users' Meeting 2011
  • Place of Presentation: 国立天文台三鷹
  • Year and Date: 2012-01-17
• [Presentation] Deuterated water in turbulent protoplanetary disks (2012)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: Workshop on Interstellar Matter 2012
  • Place of Presentation: 北海道大学
• [Presentation] 乱流円盤中における水の重水素比進化 (2012)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: 日本惑星科学会2012年度秋季講演会
  • Place of Presentation: 神戸大学
• [Presentation] Deuterated Water in Turbulent Protoplanetary Disks (2012)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: New Trends in Radio Astronomy in the ALMA Era - The 30th Anniversary of Nobeyama Radio Observatory
  • Place of Presentation: 箱根プリンスホテル
• [Presentation] Molecular Evolution in the First Hydrostatic Core Phase Adapting Three-Dimensional Radiation Hydrodynamic Simulations (2012)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: New Trends in Radio Astronomy in the ALMA Era - The 30th Anniversary of Nobeyama Radio Observatory
  • Place of Presentation: 箱根プリンスホテル
• [Presentation] Chemistry in a first hydrostatic core adapting three-dimensional radiation hydrodynamics simulations (2011)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: Mini-Workshop on Gas-Grain Interactions in Interstellar Clouds
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2011-10-28
• [Presentation] 輻射流体計算に基づくファーストコアの分子組成進化 (2011)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: 日本天文学会2011年秋季年会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] 輻射流体計算に基づくファーストコアの化学的性質 (2011)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: 輻射輸送・輻射流体サマースクール2011
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2011-08-19
• [Presentation] Carbon Isotope and Isotopmer Fractionation in Dense Molecular Cloud Cores (2011)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: IAU Symposium 280, The Molecular Universe
  • Place of Presentation: Toledo, Spain
  • Year and Date: 2011-05-31
• [Presentation] Molecular Evolution of A First Core in 3 Dimensional Hydrodynamic Calculations (2011)
  • Author(s): 古家健次
  • Organizer: IAU Symposium 280, The Molecular Universe
  • Place of Presentation: Toledo, Spain
  • Year and Date: 2011-05-31