星団形成における磁気的効果と輻射フィードバックの相互作用

• 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: 21H00041
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 細川 隆史 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30413967)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 星団形成 / 星形成 / 電離領域 / 磁気流体力学 / 輻射流体力学 / 数値シミュレーション / 原始惑星系円盤 / 適合格子計算 / 銀河形成

Outline of Research at the Start

銀河系近傍における多様な環境で起こる星団形成を対象とし、特に形成後期の母体となるガス雲が破壊されて星団が雲外へ露出していく過程を研究する。このとき磁気的効果と星団中に含まれる大質量星からの輻射フィードバック効果の相互作用に着目し、形成される星団の性質、すなわち進化を通じての星形成効率、星団内の星質量分布、重力的な束縛度がどのような効果によって主に制御されているかを明らかにする。誕生する星団側だけでなく、破壊されていくガス雲の化学構造(特にCO、H2分子の存在量)の進化も首尾一貫して調べ、各進化段階にあるガス雲が金属量の大小、磁場強度等に応じてどのように観測されるかを整理する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は星団形成における磁気的効果、星団中の大質量星が放つ輻射によるフィードバック効果、およびそれらの相互作用効果について主として数値シミュレーションを用いて明らかにすることであった。
この目的に沿って、星団形成の主な駆動プロセスの一つと考えられる分子雲衝突を想定し、その場合の磁気的効果について一連の3次元磁気流体シミュレーションを実行して調査した(Sakre et al., 23)。雲衝突後期、衝撃波圧縮を受けたガス層が周囲の希薄背景ガス中に露出した段階になると磁気圧駆動の急速な膨張が起こり、これは星団形成を抑えるnegativeな効果があることを見出した。磁場が星団形成にとって果たす役割は雲衝突の持続時間に依存し、この傾向は観測結果が示唆するものとも一致する。一方、球状星団の前駆体に相当するともいわれる、若い大質量星団形成時の観測的特徴に関する研究も進めた(Inoguchi et al. 24)。こうした星団の形成時に持続する高密度電離領域からの電波連続光(free-free)放射に着目することにより、数値シミュレーション結果が観測と非常に整合的であることが分かった。
途中で最初雇用したPD研究員が民間就職して離脱してしまうアクシデントがあったが、かわりに雇用した研究員により、代替策として低金属量原始惑星系円盤の研究を進めた。円盤分裂からの巨大ガス惑星形成可能性を示した論文を皮切りに(Matsukoba et al. 23)、特にガス-ダスト2流体の2次元数値シミュレーションを行って、円盤形成から~500kyrにわたる円盤全体の長期進化を追跡した(Matsukoba et al. 24, submitted)。すると驚くべきことに、0.1Zsunの低金属量下で進化の終盤にさしかかると、ダストの多重リングが自然と現れた。

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

• [Int'l Joint Research] ウィーン大学(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] マックス・プランク天体物理学研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア州立大学サクラメント校(米国)
• [Journal Article] 3D Radiation-hydrodynamic Simulations Resolving Interior of Rapidly Accreting Primordial Protostar (2023)
  • Author(s): Kimura Kazutaka、Hosokawa Takashi、Sugimura Kazuyuki、Fukushima Hajime
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 950 Issue: 2 Pages: 184-184
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acda8e
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Massive core/star formation triggered by cloud?cloud collision ? II. High-speed collisions of magnetized clouds (2023)
  • Author(s): Sakre Nirmit、Habe Asao、Pettitt Alex R、Okamoto Takashi、Enokiya Rei、Fukui Yasuo、Hosokawa Takashi
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 522 Issue: 4 Pages: 4972-4990
  • DOI: 10.1093/mnras/stad1089
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First emergence of cold accretion and supermassive star formation in the early universe (2023)
  • Author(s): Kiyuna Masaki、Hosokawa Takashi、Chon Sunmyon
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 523 Issue: 1 Pages: 1496-1513
  • DOI: 10.1093/mnras/stad1484
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of Massive and Wide First-star Binaries in Radiation Hydrodynamic Simulations (2023)
  • Author(s): Sugimura Kazuyuki、Matsumoto Tomoaki、Hosokawa Takashi、Hirano Shingo、Omukai Kazuyuki
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 959 Issue: 1 Pages: 17-17
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad02fc
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Formation of a wide-orbit giant planet in a gravitationally unstable subsolar-metallicity protoplanetary disc (2023)
  • Author(s): Matsukoba Ryoki、Vorobyov Eduard I、Hosokawa Takashi、Guedel Manuel
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 526 Issue: 3 Pages: 3933-3943
  • DOI: 10.1093/mnras/stad3003
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observational signatures of forming young massive clusters: continuum emission from dense HII regions (2023)
  • Author(s): Inoguchi Mutsuko、Hosokawa Takashi、Fukushima Hajime、Tanaka Kei E I、Yajima Hidenobu、Mineshige Shin
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 527 Issue: 2 Pages: 3612-3623
  • DOI: 10.1093/mnras/stad3297
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Massive core/star formation triggered by cloud-cloud collision: II High-speed collisions of magnetized clouds (2023)
  • Author(s): Sakre,N., Habe,A., Pettit,A.R., Okamoto,T., Enokiya,R., Fukui,Y., & Hosokawa,T.
  • Journal Title: MNRAS Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Protostellar-disc fragmentation across all metallicities (2022)
  • Author(s): Matsukoba Ryoki、Tanaka Kei E I、Omukai Kazuyuki、Vorobyov Eduard I、Hosokawa Takashi
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 515 Issue: 4 Pages: 5506-5522
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2161
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Far and extreme UV radiation feedback in molecular clouds and its influence on the mass and size of star clusters (2022)
  • Author(s): Fukushima,H., & Yajima,H.
  • Journal Title: MNRAS Volume: 511 Issue: 3 Pages: 3346-3364
  • DOI: 10.1093/mnras/stac244
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 自己重力不安定による低金属量巨大ガス惑星の形成 (2023)
  • Author(s): 松木場亮喜、細川隆史、Eduard Vorobyov
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] 原始惑星系円盤のガス-ダスト２成分２次元グローバル計算によるダストリング形成 (2023)
  • Author(s): 松木場亮喜、Eduard Vorobyov、細川隆史
  • Organizer: 日本天文学会2023年秋季年会
• [Presentation] Observational signatures of forming young massive clusters: continuum emission from dense HII regions (2023)
  • Author(s): 細川隆史
  • Organizer: 新学術領域「星・惑星形成」2023年度大研究会
• [Presentation] 低金属量原始惑星系円盤におけるダストリング形成 (2023)
  • Author(s): 松木場亮喜
  • Organizer: 新学術領域「星・惑星形成」2023年度大研究会
• [Presentation] Young Massive Cluster形成時の観測的特徴: 連続光spectrumと高密度HII領域 (2023)
  • Author(s): 猪口睦子, 細川隆史, 嶺重慎, 矢島秀伸, 田中圭
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] High-mass Star Formation across the universe (2022)
  • Author(s): 細川隆史
  • Organizer: 第52回天文・天体物理若手夏の学校
  • Invited