Magnetohydrodynamic Simulations Revealing Formation Process of Terrestrial Planets in Protoplanetary Disks

• Project/Area Number: 22KJ0155
• Project/Area Number (Other): 21J00086 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 森 昇志 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 天文学 / 惑星科学 / 原始惑星系円盤 / 磁気流体力学 / 惑星形成

Outline of Research at the Start

本研究の目標は、磁気流体力学を正しく取り扱うことで原始惑星系円盤の物理構造を解明し、地球型惑星の形成過程を明らかにすることである。原始惑星系円盤の物理構造は磁場の影響を受けている。そのため円盤の磁気流体数値計算を行い円盤構造を深く理解することで、惑星形成に適した円盤構造がいつ・どこに・どのように形成するのかを明らかにする。得られた結果は現在の惑星の組成などと比較することで、その妥当性を検証する。さらに最近の円盤観測結果との比較も行うことで、多角的な観測的検証がなされた、円盤構造形成から地球型惑星形成に至るまでの物理過程を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目標は、磁気流体力学を正しく取り扱うことで原始惑星系円盤の物理構造を解明し、地球型惑星の形成過程を明らかにすることである。原始惑星系円盤の物理構造は磁場の影響を受けている。円盤の温度構造は円盤の磁気流体力学に依存することが我々のこれまでの研究から示唆されている。本研究では円盤の磁気流体数値計算を行い円盤構造を深く理解することが目標である。

我々が開発した輻射輸送入り磁気流体数値シミュレーションの計算コードを用いて、原始惑星系円盤の内側領域を対象にしたシミュレーションを行った。まず、ホール効果と呼ばれる円盤内の磁場の働きに大きく影響する効果がない場合の計算を行った。その結果、従来の研究と整合的な結果が得られることを示した。次にホール効果を考慮した場合の計算を行った。ホール効果は円盤を貫く磁場の方向に依存してその振る舞いを変える。磁場と円盤の回転方向が揃っている計算の場合、円盤は強い非対称な円盤風の構造を示すことを発見した。この構造は将来の円盤観測と比較検討することで、検証することができる。可視光や赤外光の観測結果に対し解釈の可能性を与える重要な結果である。また大局的な磁場が円盤表面で曲がり、強い電流層を示すが、この加熱は円盤赤 道面をほとんど加熱しないことも分かった。これが磁場が反転した場合も同様である。これらの結果から、原始惑星系円盤の温度構造は、数auでも主に照射加熱によって決定されることが分かった。一方で照射加熱は円盤風が吹くことでより強くなることを発見した。
円盤磁場の向きが反対の場合、磁場が散逸してしまうことにより、円盤風の強度は小さくなる。また磁場の影響が弱くなったことで、照射加熱に起因する照射不安定が起きることも分かった。円盤の温度構造については磁場と円盤の回転方向が揃っている計算の場合と同じで、加熱が効かないことも分かった。照射加熱によって温度が決まる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 精華大学(中国)
• [Journal Article] Synthetic Observations of the Infalling Rotating Envelope: Links between the Physical Structure and Observational Features (2024)
  • Author(s): Mori Shoji、Aikawa Yuri、Oya Yoko、Yamamoto Satoshi、Sakai Nami
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 961 Issue: 1 Pages: 31-31
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad0634
• [Journal Article] Insights on the Sun Birth Environment in the Context of Star Cluster Formation in Hub?Filament Systems (2023)
  • Author(s): Arzoumanian Doris、Arakawa Sota、Kobayashi Masato I. N.、Iwasaki Kazunari、Fukuda Kohei、Mori Shoji、Hirai Yutaka、Kunitomo Masanobu、Kumar M. S. Nanda、Kokubo Eiichiro
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 947 Issue: 2 Pages: L29-L29
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acc849
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Roles of Dust Growth in the Temperature Evolution and Snow Line Migration in Magnetically Accreting Protoplanetary Disks (2023)
  • Author(s): Kondo Katsushi、Okuzumi Satoshi、Mori Shoji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 949 Issue: 2 Pages: 119-119
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acc840
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). I. Overview of the Program and First Results (2023)
  • Author(s): Ohashi Nagayoshi et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 951 Issue: 1 Pages: 8-8
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acd384
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). IV. The Ringed and Warped Structure of the Disk around the Class I Protostar L1489 IRS (2023)
  • Author(s): Yamato Yoshihide et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 951 Issue: 1 Pages: 11-11
  • DOI: 10.3847/1538-4357/accd71
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). VII. Keplerian Disk, Disk Substructure, and Accretion Streamers in the Class 0 Protostar IRAS 16544?1604 in CB 68 (2023)
  • Author(s): Kido Miyu et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 953 Issue: 2 Pages: 190-190
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acdd7a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). V. Possible Annular Substructure in a Circumstellar Disk in the Ced110 IRS4 System (2023)
  • Author(s): Sai Insa Choi Jinshi、Yen Hsi-Wei、Ohashi Nagayoshi、(中略)、Mori Shoji et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 954 Issue: 1 Pages: 67-67
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ace52d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Roles of Dust Growth in the Temperature Evolution and Snow Line Migration in Magnetically Accreting Protoplanetary Disks (2023)
  • Author(s): Kondo Katsushi、Okuzumi, Satoshi、Mori, Shoji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Misaligned Rotations of the Envelope, Outflow, and Disks in the Multiple Protostellar System of VLA 1623-2417: FAUST. III (2022)
  • Author(s): Ohashi Satoshi、Codella Claudio、Sakai Nami、et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 927 Issue: 1 Pages: 54-54
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac4cae
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemical and Physical Characterization of the Isolated Protostellar Source CB68: FAUST IV (2022)
  • Author(s): Imai Muneaki、Oya Yoko、Svoboda Brian、Liu Hauyu Baobab、Lefloch Bertrand、Viti Serena、Zhang Yichen、Ceccarelli Cecilia、Codella Claudio、Chandler Claire J.、Sakai Nami ... Nomura Hideko ... Yamamoto Satoshi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 934 Issue: 1 Pages: 70-70
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac77e7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effective dust growth in laminar circumplanetary discs with magnetic wind-driven accretion (2022)
  • Author(s): Shibaike Yuhito、Mori Shoji
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 518 Issue: 4 Pages: 5444-5456
  • DOI: 10.1093/mnras/stac3428
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature structure of a new protoplanetary disk model based on the latest magnetohydrodynamic findings: snowline migration and its implications for terrestrial planet formation (2021)
  • Author(s): 森 昇志
  • Journal Title: Planetary People - The Japanese Society for Planetary Sciences Volume: 30 Issue: 4 Pages: 148-157
  • DOI: 10.14909/yuseijin.30.4_148
  • NAID: 130008143726
  • ISSN: 0918-273X, 2423-897X
  • Year and Date: 2021-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evolution of the Water Snow Line in Magnetically Accreting Protoplanetary Disks (2021)
  • Author(s): Mori, S., Okuzumi, S., Kunitomo, M., & Bai, X.-N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 916 Issue: 2 Pages: 72-72
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac06a9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiative Nonideal MHD Simulations of Inner Protoplanetary Disks (2023)
  • Author(s): Shoji Mori, Xuenig Bai, Kengo Tomida
  • Organizer: Magnetohydrodynamical flows in young circumstellar disks
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原始惑星系円盤内側の温度構造:輻射輸送入り大局的非理想磁気流体力学シミュレーション (2023)
  • Author(s): 森昇志, Xuening Bai, 富田賢吾
  • Organizer: 2023年惑星科学会
• [Presentation] Radiative Nonideal MHD Simulations of the Inner Protoplanetary Disks (2023)
  • Author(s): Shoji Mori, Xuenig Bai, Kengo Tomida
  • Organizer: Protostars and Planets
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nonideal MHD Simula5ons to Understand the Temperature Structure of Protoplanetary Disks (2023)
  • Author(s): Shoji Mori, Xuenig Bai, Kengo Tomida
  • Organizer: SPIDI23: The inner disk of young stars: accretion, ejection, and planet formation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大局的非理想磁気流体シミュレーションから探る原始惑星系円盤の温度構造 (2022)
  • Author(s): 森昇志,富田賢吾 ,Xuening Bai
  • Organizer: 日本惑星科学会
• [Presentation] 大局的非理想磁気流体シミュレーションから明らかにする原始惑星系円盤の 温度構造 (2022)
  • Author(s): 森昇志, Xuening Bai, 富田賢吾
  • Organizer: 日本天文学会
• [Presentation] 回転降着エンベロープの模擬観測:L1527 観測の再解析 (2022)
  • Author(s): 森昇志 (東北大学), 相川祐理, 大屋瑶子, 山本智 (東京大学), 坂井南美 (理化学研究所)
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 磁場が降着を駆動する周惑星円盤のモデル化 (2021)
  • Author(s): 森昇志 (東北大学), 芝池諭人 (ベルン大学)
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Remarks]
  • URL: http://www.geo.titech.ac.jp/lab/ida/mori/