星・惑星系形成過程における気相と固相の化学：天体構造の観測指標と物質進化

• Project Area: Evolution of molecules in space: from interstellar clouds to proto-planetary nebulae
• Project/Area Number: 16H00931
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 相川 祐理 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40324909)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 原始惑星系円盤 / 星間化学 / 惑星系形成 / 宇宙物理 / 惑星起源・進化

Outline of Annual Research Achievements

地球の海水などにみられる重水素濃縮は低温下での化学反応の名残であると考えられている。濃縮は分子雲のほか、原始惑星系円盤でも起きる可能性がある。円盤内での重水素濃縮がどこでどの程度起きているのかを探るため、 近年ALMA などで重水素化分子の輝線観測が行われ、輝線強度分布が分子種、天体によって大きく異なることが分かってきた。輝線強度分布の違いが何に起因するのかを探るため、本研究では昨年度に引き続き、原始惑星系円盤において重水素を含む化学反応ネットワークモデルの数値計算を行った。今年度は特に円盤内のダスト成長や乱流拡散による影響について調べた。さらに乱流拡散は有機分子の存在度も大きく変化させると予想されるので、有機分子についても計算結果の解析を行った。研究結果は以下の通りである。
１．ダストサイズが小さい円盤では中心面での分子の凍結が激しい一方、円盤表層では紫外線が減光されて分子存在度が高くなる。ダストが成長すると、円盤表層では紫外線が減光されにくいので光解離で分子は壊される。一方、中心面では凍結の影響がやや和らぐ。よって、ダストが成長した円盤では分子輝線強度分布がスノーラインなど中心面の構造や組成を反映しやすく、ダストが小さい場合は円盤表層の寄与が相対的に高くなる。
２．乱流拡散は、円盤表層のH, Dなどの原子やラジカルを中心面に運ぶ一方、円盤中心面の化学的に安定な氷分子を円盤表層に運ぶ。よって乱流拡散によって分子が増えるか減るかは円盤内の場所や分子種で大きく異なる。
３．HCN, DCNには後者の効果が効く。乱流拡散のない円盤ではHCN, DCNが星に近い領域で昇華することで強く中心集中した輝線強度分布を示すが、乱流拡散のある円盤では中心付近でのHCN, DCNは著しく減少する。
またこれら理論研究と原始惑星系円盤や若い円盤の輝線観測結果との比較を行い、観測結果の解釈に寄与した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Virginia(米国)
• [Int'l Joint Research] Academia Sinica(台湾)
• [Int'l Joint Research] Harvard University(米国)
• [Journal Article] Multiple Paths of Deuterium Fractionation in Protoplanetary Disks (2018)
  • Author(s): Aikawa Yuri、Furuya Kenji、Hincelin Ugo、Herbst Eric
  • Journal Title: The Ａｓｔｒｏｐｈｙｓｉｃａｌ Journal Volume: 855 Issue: 2 Pages: 119-119
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaad6c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Depletion of Heavy Nitrogen in the Cold Gas of Star-forming Regions (2018)
  • Author(s): Furuya Kenji、Aikawa Yuri
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 857 Issue: 2 Pages: 105-105
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aab768
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ALMA Observations of SMM11 Reveal an Extremely Young Protostar in Serpens Main Cluster (2017)
  • Author(s): Aso Yusuke、Ohashi Nagayoshi、Aikawa Yuri、Machida Masahiro N.、Saigo Kazuya、Saito Masao、Takakuwa Shigehisa、Tomida Kengo、Tomisaka Kohji、Yen Hsi-Wei、Williams Jonathan P.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 850 Issue: 1 Pages: L2-L2
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa9701
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ALMA Observations of the Protostar L1527 IRS: Probing Details of the Disk and the Envelope Structures (2017)
  • Author(s): Aso Yusuke、Ohashi Nagayoshi、Aikawa Yuri、Machida Masahiro N.、Saigo Kazuya、Saito Masao、Takakuwa Shigehisa、Tomida Kengo、Tomisaka Kohji、Yen Hsi-Wei
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 849 Issue: 1 Pages: 56-56
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa8264
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ALMAによる原始惑星系円盤の観測 (2017)
  • Author(s): 相川祐理
  • Journal Title: 天文月報 Volume: 110 Pages: 247-255
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An ALMA Survey of DCN/H13CN and DCO+/H13CO+ in Protoplanetary Disks (2017)
  • Author(s): Huang, J., Oberg, K. I., Qi, C., Aikawa, Y., Andrews, S. M., Furuya, K., Guzman, V. V., Loomis, R. A., van Dishoeck, E. F., Wilner, D. J.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 835 Issue: 2 Pages: 231-231
  • DOI: 10.3847/1538-4357/835/2/231
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Detection of Gas-phase Methanol in a Protoplanetary Disk (2016)
  • Author(s): Walsh,C., Loomis, R.A., Oberg, K.I., Kama, M., van’t Hoff, M.L.R., Millar, T.J., Aikawa, Y., Herbst, E., Widicus Weaver, S. L., & Nomura, H.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 823 Issue: 1 Pages: L10-L10
  • DOI: 10.3847/2041-8205/823/1/l10
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemistry in a Forming Protoplanetary Disk: Main Accretion Phase (2016)
  • Author(s): Yoneda, H., Tsukamoto, Y., Furuya, K., Aikawa, Y.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 833 Issue: 1 Pages: 105-105
  • DOI: 10.3847/1538-4357/833/1/105
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Following the Interstellar History of Carbon: From the Interiors of Stars to the Surfaces of Planets (2016)
  • Author(s): Ziurys, L. M., Halfen, D. T., Geppert, W., Aikawa, Y
  • Journal Title: Astrobiology Volume: 16 Issue: 12 Pages: 997-1012
  • DOI: 10.1089/ast.2016.1484
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Astrochemistry of protoplanetary disks: from young to mature (2017)
  • Author(s): Aikawa, Y.
  • Organizer: 2017 Asia-Pacific Regional IAU meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chemistry from clouds to cores (2017)
  • Author(s): Aikawa, Y.
  • Organizer: Disk Formation Workshop 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multiple Paths of Deuterium Fractionation in Protoplanetary Disks (2017)
  • Author(s): 相川祐理、古家健次、Herbst, E,
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Presentation] Astrochemistry models of star-forming cores and disks (2017)
  • Author(s): Aikawa, Y.
  • Organizer: Symposium "Evolution of Molecules in Space"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 星・惑星系形成過程における気相と固相の化学：天体構造の観測指標と物質進化 (2017)
  • Author(s): 相川祐理
  • Organizer: 新学術領域「宇宙分子進化」全体集会
• [Presentation] 星・惑星系形成領域の星間化学 (2017)
  • Author(s): 相川祐理
  • Organizer: シンポジウム「ダスト形成から惑星の多様性へ：宇宙 の物質進化における物理と化学のカップリング」
  • Invited
• [Presentation] Chemical modelling of protoplanetary disks (2016)
  • Author(s): Aikawa, Y.
  • Organizer: European Conference on Laboratory Astrophysics ECLA2016 “Gas on the Rocks”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chemistry in a forming disk: main accretion phase (2016)
  • Author(s): Aikawa, Y., Yoneda, H., Tsukamoto, Y., Furuya, K.
  • Organizer: Workshop on Interstellar Matter 2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALMA観測でとらえた原始星コアと原始惑星系円盤の揮発性物質 (2016)
  • Author(s): 相川祐理
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会／アルマによる惑星科学の新展開
  • Invited
• [Presentation] 星・惑星系形成領域の分子進化：星間物質から惑星物質へ (2016)
  • Author(s): 相川祐理
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会スペシャルレクチャー（西田賞受賞記念講演）
  • Invited
• [Presentation] デブリ円盤での化学反応 (2016)
  • Author(s): 相川祐理
  • Organizer: ALMAワークショップ：デブリ円盤から太陽系へ」研究会
  • Invited
• [Presentation] 原始惑星系円盤の化学組成：最近のALMA観測の成果 (2016)
  • Author(s): 相川祐理
  • Organizer: 宇宙生命計算科学連携拠点第２回ワークショップ
• [Presentation] 惑星系形成領域の有機物進化 (2016)
  • Author(s): 相川祐理
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会／計算科学による惑星形成・進化・環境変動研究の新展開