Multicolor anatomy of protorplanetary disks: Towards understanding of planet formation

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01103
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 百瀬 宗武 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (10323205)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 武藤 恭之 工学院大学, 教育推進機構(公私立大学の部局等), 准教授 (20633803) ; 本田 充彦 久留米大学, 医学部, 助教 (40449369) ; 田中 秀和 東北大学, 理学研究科, 教授 (00282814) ; 小林 浩 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (40422761)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 電波天文学 / 光学赤外線天文学 / 理論天文学 / 惑星起源・進化 / 原始惑星系円盤

Outline of Annual Research Achievements

原始惑星系円盤におけるダスト分布の理論的な研究では，ダスト・ガス間の相互作用の影響によって幅の広いダストリング構造が形成され，TRAPPIST-1 のような複数の低質量な惑星からなる系が形成される可能性を示した。また，原始惑星系円盤中での天体の衝突進化による惑星形成を調べ，それを論文にまとめた。これらの研究の発展として，ダストの直接合体成長によって惑星が形成される過程に関する理論研究にも着手した。
次に電波領域における原始惑星系円盤の詳細構造に対する観測研究では，中心に穴を持つ遷移円盤の多様な姿を見出した他，ダスト濃集度を各所のガス量の関数として定量的に導くことにも成功した。特におうし座DM星に付随する遷移円盤の高解像度観測では，現在の太陽系配置を思い起こさせる円盤構造を明らかにし，記者発表を行って一般市民からも大きな注目を浴びた。また，進化の後期段階に当たるデブリ円盤での電波観測と比較するため，円盤ガス量を一酸化炭素と炭素原子量から推定する理論研究を行い，その結果を学会にて発表した。
赤外線観測と理論との協調に関しては，まず，原始惑星系円盤内で生成されると予測されている高空隙率ダスト集合体に対する，広い波長領域における光学モデルを完成させた。そしてこのモデルを円盤の観測結果に適用すると，近赤外線領域における光度の波長依存性が多くの円盤で弱いという事実が高空隙率ダスト集合体で自然に説明されることがわかった。一方，観測面では，新開発・評価を行ってきたSubaru/IRCSのL-band偏光分光観測機能を用いて，Herbig Fe型星 HD142527 原始惑星系円盤の空間分解観測を行った。その結果，円盤散乱光のL-band偏光分光スペクトルを初めて得て，水氷含む数ミクロン以上のサイズのダストが表層に存在しているという先行研究と矛盾しない結果が取得された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ALMAを用いた高解像度観測では，我々のチームを中心メンバーとする国際共同研究チームによって提案された遷移円盤のラージプロジェクトはCycle 6では採択されなかった。しかしその一方で，通常プロジェクトとして採択されていた高解像度観測よる円盤詳細構造の解明と，偏光観測による円盤中ダストのサイズ分布に関する研究の両面で成果が得られ，結果的にはほぼ想定通りに進捗した。また，円盤内の水氷の分布を捉えるために必要なSubaru/IRCS熱赤外偏光機能についても順調に予定性能を発揮し，最初に観測した天体において円盤起源の氷フィーチャーを捉えた。これらは予定通りの進捗であり，さらに今後の他天体への展開が可能な準備が整ったとも位置付けられる。
観測面の進捗とともに，理論的研究も順調に進捗した。円盤内で作られた惑星によって形作られるギャップについて，中心星が超低質量な場合を議論した結果，最近大きな話題を呼んだTRAPPIST-1での惑星系の特徴をよく再現することが示された。また，ダストの成長過程や複雑な形状をしたダストの光学特性といった小スケールでの物性に関わるテーマと，円盤ガス散逸やガス化学進化という大スケールに関するテーマの両面で研究が順調に進展した。いずれも，観測と比較可能な予想を提示しており，今後，観測との共同がさらに進む素地が整っている。
以上をまとめると，観測と理論を両輪とする惑星形成過程の理解は順調に深化しており，当初の予定に沿って研究が展開している状況にある。すなわち，「おおむね順調に進展している」と評価できる。

Strategy for Future Research Activity

ALMAを用いた円盤詳細観測で得られたガス輝線とダスト連続波のデータ解析により，ガスとダストの柱密度分布，ダスト放射率の波長依存性の空間分布，粒子サイズごとでの空間分布の違いを明らかにする。また，ミリ波における偏光撮像観測により，円盤におけるダストや磁場の性質をさらに明らかにする。特に後者については，最近傍の原始惑星系円盤である海へび座TW星の偏光データがすでに一部取得されており，その解析を進める。また他天体のALMA観測提案を行って対象天体数を増やし，より一般的な描像の獲得を目指す。
一方，赤外線観測では，新規に立ち上げたSubaru/IRCS熱赤外偏光機能の性能評価を進めつつ，並行して近傍の原始惑星系円盤や星形成領域の散乱光の観測を進める。通常の分光に加えて直線偏光の情報も得られるので，水氷ダストのサイズ・存在度をより正確に導出する。この観測結果を氷ダストの成長モデルや，円盤表層における水氷の安定性についての各種理論モデル計算と比較し，モデルに制限を与える。
以上の観測と連動させながら，理論面では第一に，ダストサイズから微惑星，さらに惑星サイズまでの衝突進化シミュレーションを行う 。またガス進化についても，輻射輸送を考慮した化学平衡計算も行いながら調査していく。これらの結果をもとに，観測では捉えられない微惑星以上のサイズの天体や水素分子などの情報をALMAによる円盤観測から引き出す理論モデルを構築する。第二にダスト成長過程に関する理論研究もさらに進める。中程度の充填率をもつダストの形成には，ダストに非常に小さなダストが降り積もるダスト成長モードが適している。このような成長モードの実現可能性やこのモードにおけるダスト衝突圧縮度合について調べる。また中程度の充填率をもつダストを自己重力で密になった大きな天体の衝突破片として生成する方法の可能性についても検討する。

Research Products

• [Journal Article] The Synthetic ALMA Multiband Analysis of the Dust Properties of the TW Hya Protoplanetary Disk (2019)
  • Author(s): Kim, S., Nomura, H., Tsukagoshi, T., Kawabe, R., & Muto, T.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 872 Pages: 179
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab0304
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Shock-generating Planetesimals Perturbed by a Giant Planet in a Gas Disk (2019)
  • Author(s): Nagasawa, M., Tanaka, K. K., Tanaka, H., Nomura, H., Nakamoto, T., & Miura, H.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 871 Pages: 110
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaf795
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Flared Gas Structure of the Transitional Disk around Sz 91 (2019)
  • Author(s): Tsukagoshi, T., Momose, M., Kitamura, Y., Saito, M., Kawabe, R., Andrews, S., Wilner, D., Kudo, T., Hashimoto, J., Ohashi, N., & Tamura, M.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 871 Pages: 5
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaf4f1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Imaging the disc rim and a moving close-in companion candidate in the pre-transitional disc of V1247 Orionis (2019)
  • Author(s): Willson, M., Kraus, S., Kluska, J., Monnier, J. D., Cure, M., Sitko, M., Aarnio, A., Ireland, M. J., Rizzuto, A., Hone, E., Kreplin, A., Andrews, S., Calvet, N., Espaillat, C., Fukagawa, M., Harries, T. J., Hinkley, S., Kanaan, S., Muto, T., & Wilner, D. J.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 621 Pages: A7
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201630215
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toward understanding the origin of asteroid geometries. Variety in shapes produced by equal-mass impacts (2018)
  • Author(s): Sugiura, K., Kobayashi, H., & Inutsuka, S.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 620 Pages: A167
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833227
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impacts of Dust Feedback on a Dust Ring Induced by a Planet in a Protoplanetary Disk (2018)
  • Author(s): Kanagawa, K. D., Muto, T., Okuzumi, S., Tanigawa, T., Taki, T., & Shibaike, Y.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 868 Pages: 48
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aae837
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Collisional disruption of planetesimals in the gravity regime with iSALE code: Comparison with SPH code for purely hydrodynamic bodies (2018)
  • Author(s): Suetsugu, R., Tanaka, H., Kobayashi, H., & Genda, H.
  • Journal Title: Icarus Volume: 314 Pages: 121
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2018.05.027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mid-infrared Spectroscopic Observations of Comet 17P/Holmes Immediately After Its Great Outburst in 2007 October (2018)
  • Author(s): Shinnaka, Y., Ootsubo, T., Kawakita, H., Yamaguchi, M., Honda, M., & Watanabe, J.
  • Journal Title: The Astronomical Journal Volume: 156 Pages: 242
  • DOI: 10.3847/1538-3881/aadfea
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Spatially Resolved au-scale Inner Disk around DM Tau (2018)
  • Author(s): Kudo, T., Hashimoto, J., Muto, T., Liu, H. B., Dong, R., Hasegawa, Y., Tsukagoshi, T., & Konishi, M.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 868 Pages: L5
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aaeb1c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ALMA Reveals a Misaligned Inner Gas Disk inside the Large Cavity of a Transitional Disk (2018)
  • Author(s): Mayama, S., Akiyama, E., Pani'c, O., Miley, J., Tsukagoshi, T., Muto, T., Dong, R., de Leon, J., Mizuki, T., Oh, D., Hashimoto, J., Sai, J., Currie, T., Takami, M., Grady, C. A., Hayashi, M., Tamura, M., & Inutsuka, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 868 Pages: L3
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aae88b
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure Formation in a Young Protoplanetary Disk by a Magnetic Disk Wind (2018)
  • Author(s): Takahashi, S. Z., & Muto, T.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 865 Pages: 102
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aadda0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parametric Study of the Rossby Wave Instability in a Two-dimensional Barotropic Disk. II. Nonlinear Calculations (2018)
  • Author(s): Ono, T., Muto, T., Tomida, K., & Zhu, Z.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 864 Pages: 79
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad54d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Trapping Low-mass Planets at the Inner Edge of the Protostellar Disk (2018)
  • Author(s): Brasser, R., Matsumura, S., Muto, T., & Ida, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 864 Pages: L8
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aada18
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Slowing Down Type II Migration of Gas Giants to Match Observational Data (2018)
  • Author(s): Ida, S., Tanaka, H., Johansen, A., Kanagawa, K. D., & Tanigawa, T.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 864 Pages: 77
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad69c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two Different Grain Size Distributions within the Protoplanetary Disk around HD 142527 Revealed by ALMA Polarization Observation (2018)
  • Author(s): Ohashi, S., Kataoka, A., Nagai, H., Momose, M., Muto, T., Hanawa, T., Fukagawa, M., Tsukagoshi, T., Murakawa, K., & Shibai, H.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 864 Pages: 81
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad632
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Subaru/HiCIAO HK $_{s}$ Imaging of LKHa 330: Multi-band Detection of the Gap and Spiral-like Structures (2018)
  • Author(s): Uyama, T., Hashimoto, J., Muto, T., et al.
  • Journal Title: The Astronomical Journal Volume: 156 Pages: 63
  • DOI: 10.3847/1538-3881/aacbd1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] From Planetesimal to Planet in Turbulent Disks. II. Formation of Gas Giant Planets (2018)
  • Author(s): Kobayashi, H., & Tanaka, H.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 862 Pages: 127
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aacdf5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Radial Migration of Gap-opening Planets in Protoplanetary Disks. I. The Case of a Single Planet (2018)
  • Author(s): Kanagawa, K. D., Tanaka, H., & Szuszkiewicz, E.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 861 Pages: 140
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aac8d9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-contrast Polarimetry Observation of the T Tau Circumstellar Environment (2018)
  • Author(s): Yang, Y., Mayama, S., Hayashi, S. S., Hashimoto, J., Rafikov, R., Akiyama, E., Currie, T., Janson, M., Momose, M., et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 861 Pages: 133
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aac6c8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Light Scattering by Fractal Dust Aggregates. II. Opacity and Asymmetry Parameter (2018)
  • Author(s): Tazaki, R., & Tanaka, H.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 860 Pages: 79
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aac32d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mid-infrared multi-wavelength imaging of Ophiuchus IRS 48 transitional disk (2018)
  • Author(s): Honda, M., Okada, K., Miyata, T., Mulders, G. D., Swearingen, J. R., Kamizuka, T., Ohsawa, R., Fujiyoshi, T., Fujiwara, H., Uchiyama, M., Yamashita, T., & Onaka, T.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 44
  • DOI: 10.1093/pasj/psy033
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Eccentric Cavity, Triple Rings, Two-armed Spirals, and Double Clumps of the MWC 758 Disk (2018)
  • Author(s): Dong, R., Liu, S. Y., Eisner, J., Andrews, S., Fung, J., Zhu, Z., Chiang, E., Hashimoto, J., Liu, H. B., Casassus, S., Esposito, T., Hasegawa, Y., Muto, T., Pavlyuchenkov, Y., Wilner, D., Akiyama, E., Tamura, M., & Wisniewski, J.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 860 Pages: 124
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aac6cb
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Differences in the Gas and Dust Distribution in the Transitional Disk of a Sun-like Young Star, PDS 70 (2018)
  • Author(s): Long, Z. C., Akiyama, E., Sitko, M., Fernandes, R. B., Assani, K., Grady, C. A., Cure, M., Danchi, W. C., Dong, R., Fukagawa, M., Hasegawa, Y., Hashimoto, J., Henning, T., Inutsuka, S.-I., Kraus, S., Kwon, J., Lisse, C. M., Baobabu Liu, H., Mayama, S., Muto, T., et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 858 Pages: 112
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaba7c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Star formation induced by cloud-cloud collisions and galactic giant molecular cloud evolution (2018)
  • Author(s): Kobayashi, M. I. N., Kobayashi, H., Inutsuka, S., & Fukui, Y.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: S59
  • DOI: 10.1093/pasj/psy018
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Herbig Fe 星HD142527 円盤散乱光の3 ミクロン帯偏光分光観測 (2019)
  • Author(s): 本田充彦，村川幸史，寺田宏，工藤智幸，服部尭，橋本淳，田村元秀，渡辺誠
  • Organizer: 日本天文学会2019年春季年会
• [Presentation] Herbig Fe星HD142527円盤の３ミクロン帯散乱光の輻射輸送計算 (2019)
  • Author(s): 村川幸史、本田充彦
  • Organizer: 日本天文学会2019年春季年会
• [Presentation] Herbig Fe星 HD142527 円盤散乱光の3ミクロン帯偏光分光観測 (2019)
  • Author(s): 本田充彦
  • Organizer: 第35回 Grain Formation Workshop
• [Presentation] 原始惑星系円盤の構造と惑星形成 (2019)
  • Author(s): 武藤恭之
  • Organizer: 日本天文学会2019年春季年会 研究奨励賞受賞講演
  • Invited
• [Presentation] Science Cases of Protoplanetary and Protostellar Disks with NOEMA (2018)
  • Author(s): Munetake MOMOSE
  • Organizer: NOEMA/30m Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 系外惑星・円盤研究の未来 (2018)
  • Author(s): 百瀬宗武
  • Organizer: 宇宙電波懇談シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] MICHI: a Thermal-Infrared Instrument for the TMT: Four Key Science Drivers (2018)
  • Author(s): Mitsuhiko Honda, Chris Packham
  • Organizer: TMT Science Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Introduction of Subaru/COMICS (2018)
  • Author(s): Mitsuhiko Honda
  • Organizer: The Next Generation of Thermal-IR Astronomy: How can we Reach the Photon Noise Limit?
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] TMT中間赤外線観測装置MICHI提案の現状報告 (2018)
  • Author(s): 本田充彦
  • Organizer: 2018年度光赤天連シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Subaru/IRCS 熱赤外偏光観測機能の立ち上げ2：偏光分光試験観測結果 (2018)
  • Author(s): 本田充彦
  • Organizer: 日本天文学会2018年秋季年会
• [Presentation] MICHI: a Thermal-Infrared Instrument for the TMT (2018)
  • Author(s): Mitsuhiko Honda
  • Organizer: IAUS 347 Early Science with ELTs (EASE)2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Protoplanetary disk science with Subaru/COMICS and TMT/MICHI (2018)
  • Author(s): Mitsuhiko Honda
  • Organizer: NAOC-MICHI Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Formation of Planets from Collisional Growth in Turbulent Disks (2018)
  • Author(s): Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: FROM RRESTELLAR CORES TO SOLAR NEBULAE
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 強い乱流が作る巨大惑星 : 巨大ガス 惑星形成のための条件 (2018)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 日本天文学会2018年秋季年会
• [Presentation] Formation of Planets from Collisional Growth in Turbulent Disks (2018)
  • Author(s): Hiroshi Kobayashi
  • Organizer: Japanese-German meeting on Exoplanets and Planet Formation 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 衝突・破壊を考慮した惑星形成:惑星成と乱流の強さ (2018)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 2018年日本惑星科学会秋季講演会
• [Presentation] デブリ円盤と惑星形成 (2018)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: ALMAワークショップ:円盤から太陽系へ
• [Presentation] 小惑星帯の衝突史 (2018)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 平山族発見から100年 ― 太陽系における天体衝突・進化過程の理解の現状
  • Invited
• [Presentation] デブリ円盤のガスの起源と炭素ガス観測 (2018)
  • Author(s): 小林浩、岩崎一成
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [Presentation] Collisional History in Main Belt (2018)
  • Author(s): 小林浩
  • Organizer: 天体の衝突物理の解明(XIV)
• [Presentation] Investigating the gas-to-dust ratio in the protoplanetary disk of HD 142527 (2018)
  • Author(s): Kang-Lou Soon, Munetake Momose, Takayuki Muto, Takashi Tsukagoshi, Akimasa Kataoka, Tomoyuki Hanawa, Misato Fukagawa, Kazuya Saigo, Hiroshi Shibai
  • Organizer: 日本天文学会2018年秋季年会
• [Presentation] ALMA Band 3 continuum and line observations towards the protoplanetary disk of HD 142527 (2018)
  • Author(s): Kang-Lou Soon, Munetake Momose, Takayuki Muto, Takashi Tsukagoshi, Akimasa Kataoka, Tomoyuki Hanawa, Misato Fukagawa, Kazuya Saigo, Hiroshi Shibai
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [Presentation] Formation of Ice-mantled Grains in Cloud Cores and Its Effect on Interstellar Extinction Curves (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka
  • Organizer: Japanese-German meeting on Exoplanets and Planet Formation 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Detecting Non-Axisymmetric Structures of Protoplanetary Disks from Low-Resolution Radio Interferometric Data (2018)
  • Author(s): Takayuki Muto
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [Presentation] Small Inner Ring Structure in the DM Tau Protoplanetary Disk System Revealed by ALMA (2018)
  • Author(s): Takayuki Muto
  • Organizer: Japanese-German Meeting on Exoplanets and Planet Formation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical Mechanisms of Rossby Wave Instability and its Non-linear Outcome (2018)
  • Author(s): Takayuki Muto
  • Organizer: Workshop for Protoplanetary Disks and Exoplanets
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原始惑星系円盤の力学を探る 数値シミュレーションと 高解像度観測 (2018)
  • Author(s): 武藤恭之
  • Organizer: ポスト「京」萌芽的課題・計算惑星 第3回 公開シンポジウム
  • Invited
• [Remarks] 地球型惑星の形成現場を描き出す～アルマ望遠鏡で捉えた原始ミニ太陽系～
  • URL: https://alma-telescope.jp/news/press/dmtau-201903