Development of a cylindrical shearing box model

• Project Area: A Paradigm Shift by a New Integrated Theory of Star Formation: Exploring the Expanding Frontier of Habitable Planetary Systems in Our Galaxy
• Project/Area Number: 21H00033
• 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: 鈴木 建 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (80431782)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 降着円盤 / 原始惑星系円盤 / 高密度天体円盤 / 磁場 / 乱流 / 角運動量輸送 / 突発現象 / 磁気乱流 / 円盤風 / 塵 / 数値シミュレーション / 磁気流体力学 / 数値実験手法

Outline of Research at the Start

原始惑星系円盤をはじめとする降着円盤系において、小さなスケールの現象を解像しつつ大局的な効果を組み入れるための新しい数値実験のための実用的枠組み「円柱シアリング箱」モデルを完成させ、降着円盤での磁気乱流、円盤風の質量流束、円盤風による角運動量抜き取りと質量降着の4 者の間の関係を、第一原理的な計算により定量的に明らかにする。
速度、密度、磁場といった物理量を平均量と摂動量に分けて対応する。降着や定常的な円盤風といった、ゆっくりした時間変動の小さな現象を反映する平均量には、これまで通りの境界条件を適用する。一方、摂動量には改良を加え、実用的な理論的枠組みの構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2021年度から引き続き、円柱シアリング箱による磁気流体数値実験コードの開発、改良に取り組んだ。2022年度後半にようやく初期の科学成果が得られ出し、下記の内容に関する論文を現在執筆している。その内容は、本研究で開発した開発したシミュレーションコードを用いて、磁気回転不安定性により励起される磁気乱流を詳細に解析し、従来のデカルト系のコードとは本質的に異なる磁場増幅の状況を見出したというものである。具体的には、磁場の発展方程式の各項を円柱系とデカルト系の数値実験データにおいて詳細比較することにより、円柱系では圧縮項が差動回転による磁力線の引き延ばし項と同程度効果的に寄与していることを発見したというのが、主要な成果である。デカルト系では、圧縮項は膨張による磁場の希薄化として働いており、磁場の時間発展の様相が質的に異なっていることを示し、円い円盤を適切に解ける円柱系での精査が必要不可欠であること物語っている。
円柱系での圧縮項の寄与の原因として、デカルト系では考慮することができないエピサイクル振動数の空間変化(具体的には動径位置への依存性)に起因していることも突き止めた。さらに圧縮項の寄与に起因して、突発的な磁場増幅と減少が間欠的に起きることや、磁場が強く密度が低い(あるいは逆に弱磁場高密度)領域が縞模様にできることも判明した。宇宙における様々な降着円盤系において、磁気活動に起因すると推察される間欠的な爆発現象や、円盤内の微細構造も多数観測されており、本研究で得られつつある成果は、これら様々な観測を統一的に説明できる可能性を秘めている。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [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] Transition of latitudinal differential rotation as a possible cause of weakened magnetic braking of solar-type stars (2023)
  • Author(s): Tokuno Takato、Suzuki Takeru K、Shoda Munehito
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 520 Issue: 1 Pages: 418-436
  • DOI: 10.1093/mnras/stad103
• [Journal Article] Role of Longitudinal Waves in Alfv?n-wave-driven Solar Wind (2022)
  • Author(s): Shimizu Kimihiko、Shoda Munehito、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 931 Issue: 1 Pages: 37-37
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac66d7
• [Journal Article] The Effect of the Chromospheric Temperature on Coronal Heating (2022)
  • Author(s): Washinoue Haruka、Shoda Munehito、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 938 Issue: 2 Pages: 126-126
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac91c8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional Simulations of Magnetospheric Accretion in a T Tauri Star: Accretion and Wind Structures Just Around the Star (2022)
  • Author(s): Takasao Shinsuke、Tomida Kengo、Iwasaki Kazunari、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 941 Issue: 1 Pages: 73-73
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9eb1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rapid-then-slow migration reproduces mass distribution of TRAPPIST-1 system (2022)
  • Author(s): Ogihara Masahiro、Kokubo Eiichiro、Nakano Ryuunosuke、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 658 Pages: A184-A184
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202142354
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Coronal properties of low-mass Population III stars and the radiative feedback in the early universe (2021)
  • Author(s): Washinoue Haruka、Suzuki Takeru K
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 506 Issue: 1 Pages: 1284-1294
  • DOI: 10.1093/mnras/stab1809
• [Presentation] MHD in a cylindrical shearing box (2022)
  • Author(s): Suzuki, Takeru K.
  • Organizer: 理論懇シンポジウム 2022
• [Remarks] 研究室web
  • URL: https://ea.c.u-tokyo.ac.jp/astro/Members/stakeru/index.html
• [Remarks] 研究代表者の個人web
  • URL: https://ea.c.u-tokyo.ac.jp/astro/Members/stakeru/