Theory on planetary-atmosphere acquisition and evolution during planet formation

• Project Area: Aqua planetology
• Project/Area Number: 20H04612
• 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: Nagoya University
• Principal Investigator: 小林 浩 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (40422761)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 惑星形成 / 惑星表層環境 / 原始惑星系円盤 / 微惑星 / 惑星形成理論 / 惑星大気獲得 / 水の輸送 / 惑星衝突 / 水輸送 / 地球型惑星 / 小石 / 惑星表層環境進化

Outline of Research at the Start

地球のような水が豊かで生命を育む惑星は、惑星表層環境や惑星大気の組成が重要である。惑星大気は惑星形成過程に進化する。そのため、最新の惑星形成理論に基づき惑星大気の形成や進化を調べることが、地球のような惑星形成を考える上で必要である。本研究では、最新の惑星形成シミュレーションを用いて、惑星大気の進化を調べる。その結果は、水惑星を形成する条件を明らかにすることが期待される。また、これにより太陽系外惑星系での水惑星の形成や木星や土星周りの衛星系における水衛星の形成についても議論が可能になるだろう。

Outline of Annual Research Achievements

地球の表層環境の形成を調べるために、(1)木星による氷微惑星の地球への輸送と(2)微惑星の古地球への衝突に伴う蒸発過程を調べた。(1)の過程は、木星がいつできるかに依存するため、木星の形成過程についてまずは調べた。従来の研究では木製形成は非常に難しく原始惑星系円盤が残っている間(数百万年程度)に作るのも困難と言われていたが、私はダストの成長から包括的に調べる「統一シミュレーション」を実施し、その結果、数十万年で木星形成が可能ということを示した。また、木星が形成される時に大量の氷微惑星が木星の周りに残ることもわかった。この結果は、Kobayashi & Tanaka (2021)にまとめた。また、Shibata et al. (2023)で残存微惑星が木星のガス集積中にどのくらい木星に集積されるかも調べ、木星への集積は半分以下であることも突き止めた。その結果、残存の氷微惑星がどの程度、地球へ運ばれ得るかをN体シミュレーションに基づき解析的により求めた。その結果、原始惑星系円盤の散逸に伴い非常に多くの氷微惑星を地球へ輸送できることがわかった。そして、現在の地球の水の量を優位に超える氷微惑星を輸送しないために微惑星のサイズが10km以下程度と制限がつけられることも分かった。この結果を日本天文学会2023年春季年会で発表した。
一方、(2)の過程を調べるために衝突シミュレーションを行った。衝突に伴う蒸発量は最高到達内部エネルギー等が重要になる。シミュレーションを行い詳細に調べるとともに、解析的にも調べた。その結果、シミュレーションを再現できる解析解を導出することに成功した。この結果は投稿中媚中である。

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] University of Zurich(スイス)
• [Int'l Joint Research] Academia Sinica Institute, TAIWAN(その他の国・地域)
• [Int'l Joint Research] University of Virginia(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Tuebingen(ドイツ)
• [Journal Article] Collisional Growth and Fragmentation of Dust Aggregates. II. Mass Distribution of Icy Fragments (2023)
  • Author(s): Hasegawa Yukihiko、Suzuki Takeru K.、Tanaka Hidekazu、Kobayashi Hiroshi、Wada Koji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 944 Issue: 1 Pages: 38-38
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acadda
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heavy-element accretion by proto-Jupiter in a massive planetesimal disc, revisited (2022)
  • Author(s): Shibata S、Helled R、Kobayashi H
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 519 Issue: 2 Pages: 1713-1731
  • DOI: 10.1093/mnras/stac3568
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spitzer/IRS Full Spectral Modeling to Characterize Mineralogical Properties of Silicate Dust in Heavily Obscured AGNs (2022)
  • Author(s): Tsuchikawa T.、Kaneda H.、Oyabu S.、Kokusho T.、Kobayashi H.、Toba Y.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 941 Issue: 1 Pages: 50-50
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9b23
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nonlinear Outcome of Coagulation Instability in Protoplanetary Disks. II. Dust-ring Formation Mediated by Backreaction and Fragmentation (2022)
  • Author(s): Tominaga Ryosuke T.、Tanaka Hidekazu、Kobayashi Hiroshi、Inutsuka Shu-ichiro
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 940 Issue: 2 Pages: 152-152
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac97e8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nonlinear Outcome of Coagulation Instability in Protoplanetary Disks. I. First Numerical Study of Accelerated Dust Growth and Dust Concentration at Outer Radii (2022)
  • Author(s): Tominaga Ryosuke T.、Kobayashi Hiroshi、Inutsuka Shu-ichiro
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 937 Issue: 1 Pages: 21-21
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac82b4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of Dust Clumps with Sub-Jupiter Mass and Cold Shadowed Region in Gravitationally Unstable Disk around Class 0/I Protostar in L1527 IRS (2022)
  • Author(s): Ohashi Satoshi、Nakatani Riouhei、Liu Hauyu Baobab、Kobayashi Hiroshi、Zhang Yichen、Hanawa Tomoyuki、Sakai Nami
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 934 Issue: 2 Pages: 163-163
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac794e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] No Evidence of the Significant Grain Growth but Tentative Discovery of Disk Substructure in a Disk around the Class I Protostar L1489 IRS (2022)
  • Author(s): Ohashi Satoshi、Kobayashi Hiroshi、Sai Jinshi、Sakai Nami
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 933 Issue: 1 Pages: 23-23
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6fcf
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A systematic study of silicate absorption features in heavily obscured AGNs observed by Spitzer/IRS (2021)
  • Author(s): Tsuchikawa T.、Kaneda H.、Oyabu S.、Kokusho T.、Kobayashi H.、Yamagishi M.、Toba Y.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 651 Pages: A117-A117
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202140483
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Collisional Growth and Fragmentation of Dust Aggregates with Low Mass Ratios. I. Critical Collision Velocity for Water Ice (2021)
  • Author(s): Hasegawa Yukihiko、Suzuki Takeru K.、Tanaka Hidekazu、Kobayashi Hiroshi、Wada Koji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 915 Issue: 1 Pages: 22-22
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abf6cf
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoevaporation of Grain-depleted Protoplanetary Disks around Intermediate-mass Stars: Investigating the Possibility of Gas-rich Debris Disks as Protoplanetary Remnants (2021)
  • Author(s): Nakatani Riouhei、Kobayashi Hiroshi、Kuiper Rolf、Nomura Hideko、Aikawa Yuri
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 915 Issue: 2 Pages: 90-90
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0137
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Growth of Protoplanets via the Accretion of Small Bodies in Disks Perturbed by the Planetary Gravity (2021)
  • Author(s): Okamura Tatsuya、Kobayashi Hiroshi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 916 Issue: 2 Pages: 109-109
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac06c6
  • NAID: 120007190693
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SPH simulations for shape deformation of rubble-pile asteroids through spinup: The challenge for making top-shaped asteroids Ryugu and Bennu (2021)
  • Author(s): Sugiura Keisuke、Kobayashi Hiroshi、Watanabe Sei-ichiro、Genda Hidenori、Hyodo Ryuki、Inutsuka Shu-ichiro
  • Journal Title: Icarus Volume: 365 Pages: 114505-114505
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114505
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of Dust Size on the Near-infrared Spectra (1.0?5.0 μm) of Brown Dwarf Atmospheres (2021)
  • Author(s): Sorahana Satoko、Kobayashi Hiroshi、Tanaka Kyoko K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 919 Issue: 2 Pages: 117-117
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac1271
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid Formation of Gas-giant Planets via Collisional Coagulation from Dust Grains to Planetary Cores (2021)
  • Author(s): Kobayashi Hiroshi、Tanaka Hidekazu
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 922 Issue: 1 Pages: 16-16
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac289c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Coagulation Instability in Protoplanetary Disks: A Novel Mechanism Connecting Collisional Growth and Hydrodynamical Clumping of Dust Particles (2021)
  • Author(s): Tominaga Ryosuke T.、Inutsuka Shu-ichiro、Kobayashi Hiroshi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 923 Issue: 1 Pages: 34-34
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac173a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ring Formation by Coagulation of Dust Aggregates in the Early Phase of Disk Evolution around a Protostar (2021)
  • Author(s): Ohashi, S., Kobayashi, H., Nakatani, R., Okuzumi, S., Tanaka, H., Murakawa, K., Zhang, Y., Liu, H. B., & Sakai, N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 907 Issue: 2 Pages: 80-80
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd0fa
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New Growth Mechanism of Dust Grains in Protoplanetary Disks with Magnetically Driven Disk Winds (2021)
  • Author(s): Taki Tetsuo、Kuwabara Koh、Kobayashi Hiroshi、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 909 Issue: 1 Pages: 75-75
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd79f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution (2020)
  • Author(s): Morota, T., Sugita, S., Cho, Y., Kanamaru, M., Tatsumi, E., Sakatani, N., Honda, R., Hirata, N. et al.
  • Journal Title: Science Volume: 368 Issue: 6491 Pages: 654-659
  • DOI: 10.1126/science.aaz6306
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Is water ice an efficient facilitator for dust coagulation? (2020)
  • Author(s): Kimura Hiroshi、Wada Koji、Kobayashi Hiroshi、Senshu Hiroki、Hirai Takayuki、Yoshida Fumi、Kobayashi Masanori、Hong Peng K、Arai Tomoko、Ishibashi Ko、Yamada Manabu
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 498 Issue: 2 Pages: 1801-1813
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2467
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Planet Formation and Debris Disk Evolution (2023)
  • Author(s): Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: Debris Disk Workshop 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The Amount of Vapor via Collisions (2023)
  • Author(s): Ryushi Miyayama, Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: Debris Disk Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Short-term Brightness Evolution of Debris Disk after Ejection from Giant Impacts (2023)
  • Author(s): Leonardo da Motta de Vasconcellos Teixeira, Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: Debris Disk Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] COLLISIONAL HISTORIES OF ASTEROIDS RYUGU AND BENNU INFERRED FROM THE ABUNDANCE OF EXOGENIC BOULDERS (2023)
  • Author(s): S. Sugita, H. Kobayashi, K. Sugiura, H. Genda, E. Tatsumi, M. Jutzi, and P. Michel
  • Organizer: 54th Lunar and Planetary Science Conference 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 木星形成による雪線内側への氷微惑星輸送 (2023)
  • Author(s): 小林浩、安田郁斗
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] 小天体衝突が形成する衝撃波圧力分布の状態方程式依存性 (2023)
  • Author(s): 宮山隆志，小林浩
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] Planet Formation and Disk Evolution (2023)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 新学術「星惑星形成」2022年度大研究会
• [Presentation] Numerical simulations of catastrophic collisions of asteroids and fractions of impactor fragments included in remnants (2022)
  • Author(s): Keisuke Sugiura, Hiroshi Kobayashi, Seiji Sugita, Hidenori Genda, Eri Tatsumi, Tomokatsu Morota
  • Organizer: AAS Division of Planetary Science meeting #54
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Revisiting Planetesimal Accretion onto Proto-Jupiter (2022)
  • Author(s): Sho Shibata, Ravit Helled, Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: 16th Europlanet Science Congress 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The amount of vapor caused by an impact and its dependence on equation of state (2022)
  • Author(s): Ryushi Miyayama, Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Short-term Evolution of Debris Disks formed from a Giant Impact in the Late Stages of Planet Formation (2022)
  • Author(s): Leonardo Da Motta Vascnoncellos Teixeira, Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原始惑星の衝突シミュレーションの衝突破壊モデル構築 (2022)
  • Author(s): 小林 浩
  • Organizer: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [Presentation] 木星の氷微惑星散乱による雪線内側への水供給についての理論的研究 (2022)
  • Author(s): 安田 郁斗、小林 浩
  • Organizer: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [Presentation] 微惑星衝突に伴う固体蒸発・溶融量の状態方程式依存性 (2022)
  • Author(s): 宮山 隆志、小林 浩
  • Organizer: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [Presentation] 巨大衝突起源のデブリ円盤と短時間フラックス変化 (2022)
  • Author(s): Leonardo da Motta de Vasconcellos Teixeira, Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [Presentation] ダストから惑星までの統一シミュレーショ ン : 円盤温度とダスト密度依存性 (2022)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 日本天文学会 2022年 秋季年会
• [Presentation] ダストの衝突破壊における破片の質量分布と衝突速度と質量比の関係性 (2022)
  • Author(s): 長谷川幸彦, 鈴木建, 田中秀和, 小林浩, 和田浩二
  • Organizer: 日本天文学会 2022年 秋季年会
• [Presentation] 円盤風を考慮した原始惑星系円盤ガス面密度進化の 1 次元モデル (2022)
  • Author(s): 瀧 哲朗, 小林 浩, 小久保英一郎, 鈴木 建
  • Organizer: 日本天文学会 2022年 秋季年会
• [Presentation] 微惑星衝突に伴う固体蒸発量とその状 態方程式依存性の検証 (2022)
  • Author(s): 宮山隆志、小林浩
  • Organizer: 日本天文学会 2022年 秋季年会
• [Presentation] Early Formation of Gas Giant Planets Revealed by Dust-to-Planet Simulations (2022)
  • Author(s): Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: Astrophysical International Seminar Kiel
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The Representativeness of Ryugu Samples Estimated from Statistical Analysis of Boulder Color Distribution (2022)
  • Author(s): Sugita, S., Yumoto, K., Ebihara, T., Morota, T., Tatsumi, E., DellaGiustina, D. N., Kobayashi, H., Honda, R., Kameda, S., Sakatani, N., et al.
  • Organizer: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 微惑星形成・天体形成/移動 (2022)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 始原天体ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Early Formation of Gas-Giant Planets Revealed by Dust-to-Planet Simulations (2022)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 新学術「星・惑星形成」2021年度大研究会
• [Presentation] Early Formation of Jupiter Revealed by Dust-to-Planet Simulations (2022)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 令和3年度核マントル共進化研究集会
  • Invited
• [Presentation] 巨大衝突起源のデブリ円盤の特徴解明に向けた巨大衝突シミュレーション (2022)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 地球型惑星形成にともなう大気獲得とその組成進化についての理論的研究 (2022)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 第5回 新学術領域研究「水惑星学」全体会議
• [Presentation] 巨大ガス惑星のコア形成理論 (2022)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 新学術「星・惑星形成」A02A03合同会議
• [Presentation] ダストから惑星への統一シミュレーションによる巨大ガス惑星形成 (2021)
  • Author(s): 小林浩、田中秀和
  • Organizer: 日本惑星科学会秋季講演会
• [Presentation] ダストから惑星まで統一シミュレーション：巨大ガス惑星形成と軌道の分布 (2021)
  • Author(s): 小林浩、田中秀和
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Presentation] The Collisional History in the Main Belt (2021)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 惑星形成の衝突史解明に向けた はやぶさ2のデータの重要性 (2021)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 「惑星形成過程とはやぶさ２探査」研究会
  • Invited
• [Presentation] Dust in Planet Formation (2021)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: PERC Int'l Symposium on Dust & Parent Bodies 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 惑星形成と氷微惑星の移動 (2021)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 第4回 新学術領域研究「水惑星学」全体会議
• [Presentation] 原始惑星重力下での 原始惑星系円盤ガスの流れと小天体の衝突率 (2021)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] ダストから惑星への直接合体成長とALMAで観測される原始惑星系円盤の進化 (2020)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: JpGU -AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] Numerical Simulations of Spinup of Asteroids and the Formation of Top-Shaped Asteroids (2020)
  • Author(s): 杉浦圭祐
  • Organizer: JpGU -AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] 原始惑星系円盤中でのダストから惑星まで一貫した直接合体成長の理論的研究 (2020)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 日本天文学会2020年秋季年会
• [Presentation] 原始惑星重力下での原始惑星系円盤ガスの流れと小天体の衝突率 (2020)
  • Author(s): 岡村達弥
  • Organizer: 2020年度惑星科学会秋季講演会
• [Presentation] ダストから惑星まで直接合体成長を取り扱う統一シミュレーション (2020)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 2020年度惑星科学会秋季講演会
• [Presentation] ダストから惑星まで成長を取り扱う 大統一シミュレーション (2020)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 2020年理論懇シンポジウム
• [Remarks] 小林浩の研究紹介
  • URL: https://www.astro-th.phys.nagoya-u.ac.jp/~hkobayas/hp_main/research_j.html
• [Remarks] 惑星は恒星と同時に作られていく？ー原始星円盤の形成初期に存在する惑星形成リングー
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20210202_sci1.pdf