Probing the rocky and icy planetesimal formation through the two-dimensional simulations of gas and dust co-evolution

• Project/Area Number: 19J01929
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 植田 高啓 国立天文台, 科学研究部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 惑星形成 / 原始惑星系円盤 / 天文学 / 惑星科学 / ダスト / 輻射輸送

Outline of Research at the Start

原始惑星系円盤中の乱流境界線やスノーラインと呼ばれる局所領域では、惑星の材料物質である微惑星が形成されると期待されている。本研究では、2次元輻射流体計算とダスト進化計算を組み合わせることで、これらの領域で形成される微惑星の総質量・形成位置を明らかにする。さらに、得られた円盤構造と実際の円盤観測データを比較することで、本研究の微惑星形成モデルの妥当性を検証する。また、この計算をより大きな天体まで拡張することで、形成される惑星の質量・軌道分布を理論予測し、観測で見つかっている惑星系を説明できる原始惑星系円盤の物理条件に制限を与える。これらにより、理論・観測の両側面から惑星形成モデルの構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、円盤観測と数値シミュレーションの比較を通して、太陽系やスーパーアースのような固体惑星系の形成過程を明らかにすることである。
2021度は、6本の筆頭論文、1本の共著論文を受理された。このうちの1本では、乱流境界線での岩石微惑星形成シミュレーションを通して、太陽系地球型惑星と力学的によく似た惑星系を形成する理論モデルを構築した。この中では、円盤進化最初期の円盤が高温な状態であれば乱流境界線が現在の地球軌道付近に来ること、特定の円盤条件下で太陽系地球型惑星を作るのに望ましい微惑星総量が得られること、形成された惑星が磁気円盤風の助けによって大きな軌道移動を免れることを示した。また、別に受理された論文では、乱流境界線での微惑星形成をALMAおよび次世代望遠鏡ngVLAで観測可能かどうか調べ、太陽より明るいHerbig Ae 型星周りの円盤であれば、ngVLAで乱流境界線を直接空間分解して観測できることを示した。
この他に、スノーライン内側に堆積する岩石ダストがその背後に影を作ることに着目し、その影が円盤構造にどのような影響を与えるか調べた。その結果、岩石ダストが水氷に比べ30倍程度濃集していると、スノーライン背後の温度が30Kを下回ることがわかった。この温度低下は、太陽系の木星大気の揮発性物質の組成をよく再現しうる。
これらと並行し、原始惑星系円盤CW TauのALMA多波長観測についての論文を執筆した。2019年度に私は、原始惑星系円盤TW Hyaの中心領域で、ミリ波散乱によってこれまでダスト質量を25倍過小評価していた可能性を指摘した。この本研究では、原始惑星系円盤CW TauをターゲットとしてALMA多波長観測を行い、ダスト質量の見積もりを行った。その結果、CW Tau円盤は従来の6倍近い200地球質量程度のダストをもつ可能性があることがわかった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max-Planck Institute for Astronomy/Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] California State University Northridge/University of Nevada, Las Vegas(米国)
• [Int'l Joint Research] Universidad Nacional Autonoma de Mexico(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] Universidad de Chile(チリ)
• [Int'l Joint Research] University of Nevada, Las Vegas(米国)
• [Journal Article] Planet formation theories constrained by millimeter disk observations (2022)
  • Author(s): 植田 高啓
  • Journal Title: Planetary People - The Japanese Society for Planetary Sciences Volume: 31 Issue: 1 Pages: 68-77
  • DOI: 10.14909/yuseijin.31.1_68
  • ISSN: 0918-273X, 2423-897X
  • Year and Date: 2022-03-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Probing the Inner Edge of Dead Zones in Protoplanetary Disks with ALMA and Next Generation Very Large Array (2022)
  • Author(s): Ueda Takahiro、Ricci Luca、Flock Mario、Castro Zachary
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 928 Issue: 2 Pages: 110-110
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac56d8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Massive Compact Dust Disk with a Gap around CW Tau Revealed by ALMA Multiband Observations (2022)
  • Author(s): Ueda Takahiro、Kataoka Akimasa、Tsukagoshi Takashi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 930 Issue: 1 Pages: 56-56
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac634d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of Differential Dust Settling on the SED and Polarization: Application to the Inner Region of the HL Tau Disk (2021)
  • Author(s): Ueda Takahiro、Kataoka Akimasa、Zhang Shangjia、Zhu Zhaohuan、Carrasco-Gonz?lez Carlos、Sierra Anibal
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 913 Issue: 2 Pages: 117-117
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abf7b8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermal Wave Instability as an Origin of Gap and Ring Structures in Protoplanetary Disks (2021)
  • Author(s): Ueda Takahiro、Flock Mario、Birnstiel Tilman
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 914 Issue: 2 Pages: L38-L38
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac0631
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Jupiter’s “cold” formation in the protosolar disk shadow (2021)
  • Author(s): Ohno Kazumasa、Ueda Takahiro
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 651 Pages: L2-L2
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202141169
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Early Initiation of Inner Solar System Formation at the Dead-zone Inner Edge (2021)
  • Author(s): Ueda, T., Ogihara, M., Kokubo, E., & Okuzumi, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 921 Issue: 1 Pages: L5-L5
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac2f3b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Scattering-induced Intensity Reduction: Large Mass Content with Small Grains in the Inner Region of the TW Hya disk (2020)
  • Author(s): Takahiro Ueda, Akimasa Kataoka, Takashi Tsukagoshi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 893 Issue: 2 Pages: 125-137
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab8223
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Compact massive dust disk with a gap around CW Tau revealed by ALMA multi-band observation (2022)
  • Author(s): Takahiro Ueda
  • Organizer: East Asian ALMA Science Workshop 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱波不安定性による原始惑星系円盤のミリ波リング・ギャップ形成 (2021)
  • Author(s): 植田高啓
  • Organizer: 2021年秋日本天文学会年会
• [Presentation] ngVLAの偏光観測で探る原始惑星系円盤中のダスト成長 (2021)
  • Author(s): 植田高啓
  • Organizer: 日本天文学会2021春季年会
• [Presentation] HL Tau 円盤のSEDおよび偏光観測が示唆する円盤内側領域の極弱乱流 (2021)
  • Author(s): 植田高啓
  • Organizer: 惑星系形成若手研究会
• [Presentation] Impact of the differential settling of dust grains on the SED and polarimetric observations on the inner region of the HL Tau disk (2021)
  • Author(s): Takahiro Ueda
  • Organizer: East Asian ALMA Science Workshop 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] デッドゾーン内側境界での微惑星形成: 太陽系地球型惑星形成への示唆 (2020)
  • Author(s): 植田高啓
  • Organizer: 2020年日本惑星科学会秋季講演会
• [Presentation] ミリ波散乱減光が原始惑星系円盤の質量推定に与える影響 (2020)
  • Author(s): 植田高啓
  • Organizer: 日本天文学会2020年秋季年会
• [Presentation] 原始惑星系円盤質量推定におけるsub-cm波の有用性 (2020)
  • Author(s): 植田高啓
  • Organizer: ngVLA sub-working group meeting
• [Presentation] Scattering-Induced Intensity Reduction: Large Mass Content with Small Grains in the Inner Region of the TW Hya Disk (2020)
  • Author(s): Takahiro Ueda
  • Organizer: Building Blocks of Planets 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Scattering-Induced Optical Depth Reduction: Application to the Inner Region of the TW Hya Disk (2020)
  • Author(s): Takahiro Ueda, Akimasa Kataoka, Takashi Tsukagoshi
  • Organizer: East-Asia ALMA Science Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミリ波散乱減光の原始惑星系円盤ダスト質量推定への影響 (2019)
  • Author(s): 植田高啓, 片岡章雅, 塚越崇
  • Organizer: 理論懇シンポジウム
• [Presentation] Scattering-Induced Intensity Reduction: Large Mass Content with Small Grains in the Inner Region of the TW Hya Disk (2019)
  • Author(s): Takahiro Ueda, Akimasa Kataoka, Takashi Tsukagoshi
  • Organizer: Planet Formation Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of Building Blocks of the Terrestrial Planets at the Dead-zone Inner Edge (2019)
  • Author(s): Takahiro Ueda, Satoshi Okuzumi, Mario Flock
  • Organizer: Planet2/RESCEU Symposium 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Scattering on the Apparent Disk Brightness: Application to the Inner Region of the TW Hya Disk (2019)
  • Author(s): Takahiro Ueda, Akimasa Kataoka, Takashi Tsukagoshi
  • Organizer: next generation VLA Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Planetesimal Formation at the inner edge of the dead-zone: Implication for the diversity in the planetary systems (2019)
  • Author(s): Takahiro Ueda, Satoshi Okuzumi
  • Organizer: Extreme Solar Systems IV
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rocky Planetesimal Formation at the inner edge of the dead-zone: Implication for the inner solar system formation (2019)
  • Author(s): Takahiro Ueda, Mario Flock, Satoshi Okuzumi
  • Organizer: Turbulence and Structure Formation in Protoplanetary Disks
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Inner Solar System Formation via the Dust-Pileup at the Dead-Zone Inner Edge (2019)
  • Author(s): Takahiro Ueda, Satoshi Okuzumi
  • Organizer: Gordon Research Conference/Seminar
  • Int'l Joint Research