Multicolor anatomy of protorplanetary disks: Towards understanding of planet formation

2020 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 岡山理科大学, 生物地球学部, 准教授 (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

ALMA 望遠鏡を用いた観測的研究では，まず三重星 GW Ori 周囲に大きく広がった多重リング構造を持つ円盤を見出し，かつ，リング同士が互いに傾いた複雑な構造を明らかにした。また，WW Chaに付随する円盤に対する解析により，ダスト円盤の面密度動径分布中に，半径40au以遠でのなだらかな低下と弱い非軸対称性を見出した。すばる望遠鏡に搭載された SCExAO/CHARIS を用いた三色同時の高空間分解能・高コントラスト撮像の解析では，HD34700A 周囲の原始惑星系円盤について，中心星のごく近傍に存在する円盤が外側の円盤に対して影を落としている可能性が示唆された。一方，観測と関連した理論については，まずダスト成長に関連して，質量比のついたダスト同士の衝突による圧縮を調べた結果，従来研究での等質量衝突に比べてダストが非常に効率的に圧縮されることが明らかになった。これは，ALMAによる偏光観測からダストの充填率は10％以上であることが示唆されていた点と整合的であり，従来のダスト衝突を模した数値計算で衝突圧縮の効率が非常に低かった矛盾を解消した。また原始惑星円盤内での惑星移動に関する研究では，円盤ギャップの中心と惑星位置にずれが生じることを発見し，ギャップ中心と惑星位置のずれの間の定量的関係を惑星移動速度とともに導出した。最後に，原始惑星系円盤中の水氷による3μm偏光観測結果と比較するため，理論による偏光モデルスペクトルの構築を行った。その結果，強度スペクトルに加えて偏光の情報を付加することで，ダストのサイズや水氷の存在量に制限がつくことが分かった。この他，次世代電波干渉計ngVLAによる原始惑星系高解像度観測や，赤外線天文衛星計画SPICA，及び東大アタカマ天文台TAOによる水氷科学観測について，さまざまな検討を行った成果を発表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ALMA及びすばる望遠鏡を用いた高解像度撮像観測にもとづく研究では，複数の多重星系における円盤で興味深い円盤構造をとらえた。これらは単一星周辺に留まらずより一般的な惑星形成を考える上で重要な観測的情報である。また，このような多重星系は恒星・惑星系の小型版という側面もあり，円盤・惑星相互作用の基本的物理過程を今後理論的に考えていく上で有意義な情報を提供したものと言える。
一方，観測と理論との比較でも複数の進捗が得られた。まず円盤・惑星相互作用に関連して，円盤に彫られたギャップを置き去りにして惑星が動く過程，および置き去りにされたリングの構造進化について，定量的理解に成功した。これは，これまで観測で捉えられていたリング・ギャップが示す多様な構造に対する新解釈を提供しただけでなく，将来の大型赤外線望遠鏡を用いた形成途上の惑星探索にもユニークな指針を与えた。一方，ダストの性質や成長に焦点を当てた研究についても，二つの面で大きな進展が得られた。まず中間赤外線での水氷散乱光について，その波長依存性も含め自然な解釈を与えるダスト光学モデルを初めて構築した。また現実的な成長過程を想定することにより，サブミリ波における複数周波数でのダスト連続波データから示唆されていた比較的大きなダスト体積充填率が自然に説明される点もわかった。これらはそれぞれ，赤外線およびサブミリ波における偏光撮像観測の説明を動機として，水氷による赤外線散乱過程やダスト成長過程をミクロな視点から緻密に再検討することで得られたものであり，本研究課題の枠組みである理論と観測の親密な連携があって初めて実現された独自性の高い成果である。
以上をまとめると，本研究課題で当初目標として挙げていた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，「おおむね順調に進展している」との評価が適当である。

Strategy for Future Research Activity

研究期間の終了を見据え，全体としては，これまでに得られた成果をさまざまな機会をとらえて発表していくとともに，研究期間終了後のさらなる展開を促す萌芽的研究も並行して進める。
まずALMAを用いた円盤観測ではこれまでの方向性の取りまとめに入るが，新型コロナウィルス感染症拡大の影響によりALMA観測オペレーションが停止したことの影響を踏まえ，アーカイブデータの解析に当初予定していたよりも大きな重点をおく。この研究活動により複数恒星系の円盤構造について興味深い結果が得られたので，これと密接に関連すると考えられる遷移円盤天体に焦点を絞り，円盤構造やダスト・ガス空間分離に関わる解析を行うとともに，成果をまとめる。また，円盤・惑星相互作用についての検討を継続するため，研究員雇用を継続する。赤外線観測では，Subaru/IRCS熱赤外偏光機能を用いた近傍の原始惑星系円盤や星形成領域の散乱光観測の結果を取りまとめる。これまでの研究期間で得られた水氷ダストの性質に関する理論的理解を応用し，円盤内水氷ダストのサイズと存在量について新たな知見を得て結果を報告する。
理論面では，まず第一に，ダストサイズから惑星サイズまでの衝突進化シミュレーションを継続し，成果をまとめる。特に，ダストから惑星形成へと至る諸段階で鍵となる物理過程の理解を深めるとともに，観測による検証可能性についても検討を深める。第二に円盤惑星相互作用に関連して，ALMAによるガス円盤観測で得られる速度構造との比較を含めたより広範な展開を模索する。その過程でこれまで得た研究成果を取りまとめ，論文や研究会にて発表を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] テキサス大学サンアントニオ校/カリフォルニア工科大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: テキサス大学サンアントニオ校/カリフォルニア工科大学
• [Int'l Joint Research] ビクトリア大学(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: ビクトリア大学
• [Int'l Joint Research] 台湾中央研究院(その他の国・地域)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: 台湾中央研究院
• [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 Pages: id.80
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd0fa
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ALMA Observations of the Inner Cavity in the Protoplanetary Disk around Sz 84 (2021)
  • Author(s): Hashimoto, J., Muto, T., Dong, R., Hasegawa, Y., Marel, N. van . der ., Tamura, M., Takami, M., & Momose, M.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 908 Pages: id.250
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abba76
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observations of the [C I] (3P1-3P0) emission toward the massive star-forming region RCW 38: Further evidence for highly-clumped density distribution of the molecular gas (2021)
  • Author(s): Izumi, N., Fukui, Y., Tachihara, K., Fujita, S., Torii, K., Kamazaki, T., Kaneko, H., Silva, A., Iono, D., Momose, M., Sugimoto, K., Nakazato, T., Kosugi, G., Maekawa, J., Takahashi, S., Yoshino, A., & Asayama, S.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 73 Pages: 174-196
  • DOI: 10.1093/pasj/psaa113
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New Growth Mechanism of Dust Grains in Protoplanetary Disks with Magnetically Driven Disk Winds (2021)
  • Author(s): Taki, T., Kuwabara, K., Kobayashi, H., & Suzuki, T. K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 909 Pages: id.75
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd79f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ALMA Observation of the Protoplanetary Disk around WW Cha: Faint Double-peaked Ring and Asymmetric Structure (2021)
  • Author(s): Kanagawa, K. D., Hashimoto, J., Muto, T., Tsukagoshi, T., Takahashi, S. Z., Hasegawa, Y., Konishi, M., Nomura, H., Liu, H. B., Dong, R., Kataoka, A., Momose, M., Ono, T., Sitko, M., Takami, M., & Tomida, K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 909 Pages: id.212
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abdfc5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Scattering Polarization of 3 μm Water-ice Feature by Large Icy Grains (2021)
  • Author(s): Tazaki, R., Murakawa, K., Muto, T., Honda, M., & Inoue, A. K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 910 Pages: id.26
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abdd3d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Model of a Gap Formed by a Planet with Fast Inward Migration (2020)
  • Author(s): Kanagawa, K. D., Nomura, H., Tsukagoshi, T., Muto, T., & Kawabe, R.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 892 Pages: id.83
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab781e
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comments on 'Type II migration strikes back - an old paradigm for planet migration in discs' by Scardoni et al. (2020)
  • Author(s): Kanagawa, K. D., & Tanaka, H.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 494 Pages: 3449-3452
  • DOI: 10.1093/mnras/staa1011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GW Ori: Interactions between a Triple-star System and Its Circumtriple Disk in Action (2020)
  • Author(s): Bi, J., van der Marel, N., Dong, R., Muto, T., Martin, R. G., Smallwood, J. L., Hashimoto, J., Liu, H. B., Nomura, H., Hasegawa, Y., Takami, M., Konishi, M., Momose, M., Kanagawa, K. D., Kataoka, A., Ono, T., Sitko, M. L., Takahashi, S. Z., Tomida, K., & Tsukagoshi, T.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 895 Pages: id.L18
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab8eb4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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., Kikuchi, H., Yamada, M., Yokota, Y., Kameda, S., Matsuoka, M., Sawada, H., Honda, C., Kouyama, T., Ogawa, K., Suzuki, H., Yoshioka, K., Hayakawa, M., Kobayashi, H. (33番目)，他74名
  • Journal Title: Science Volume: 368 Pages: 654-659
  • DOI: 10.1126/science.aaz6306
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radial Migration of Gap-opening Planets in Protoplanetary Disks. II. The Case of a Planet Pair (2020)
  • Author(s): Kanagawa, K. D., & Szuszkiewicz, E.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 894 Pages: id.59
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab862f
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A new and simple prescription for planet orbital migration and eccentricity damping by planet-disc interactions based on dynamical friction (2020)
  • Author(s): Ida, S., Muto, T., Matsumura, S., & Brasser, R.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 494 Pages: 5666-5674
  • DOI: 10.1093/mnras/staa1073
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Super-resolution Imaging of the Protoplanetary Disk HD 142527 Using Sparse Modeling (2020)
  • Author(s): Yamaguchi, M., Akiyama, K., Tsukagoshi, T., Muto, T., Kataoka, A., Tazaki, F., Ikeda, S., Fukagawa, M., Honma, M., & Kawabe, R.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 895 Pages: id.84
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab899f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SCExAO/CHARIS High-contrast Imaging of Spirals and Darkening Features in the HD 34700 A Protoplanetary Disk (2020)
  • Author(s): Uyama, T., Currie, T., Christiaens, V., Bae, J., Muto, T., Takahashi, S. Z., Tazaki, R., Ygouf, M., Kasdin, J. N., Groff, T., Brandt, T. D., Chilcote, J., Hayashi, M., McElwain, M. W., Guyon, O., Lozi, J., Jovanovic, N., Martinache, F., Kudo, T., Tamura, M., 他10名
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 900 Pages: id.135
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aba8f6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Is water ice an efficient facilitator for dust coagulation? (2020)
  • Author(s): Kimura, H., Wada, K., Kobayashi, H., Senshu, H., Hirai, T., Yoshida, F., Kobayashi, M., Hong, P. K., Arai, T., Ishibashi, K., & Yamada, M.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 498 Pages: 1801-1813
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2467
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dippers from the TESS Full-frame Images. I. Results of the First One Year Data and Discovery of a Runaway Dipper (2020)
  • Author(s): Tajiri, T., Kawahara, H., Aizawa, M., Fujii, M. S., Hattori, K., Kasagi, Y., Kotani, T., Masuda, K., Momose, M., Muto, T., Ohsawa, R., & Takita, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Supplement Series Volume: 251 Pages: id.18
  • DOI: 10.3847/1538-4365/abbc17
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a cold chopper for TAO/MIMIZUKU (2020)
  • Author(s): Honda, M., Kamizuka, T., Jikuya, I., Miyata, T., Kato, K., Uchida, D., Kondo, S., Michifuji, T., & Yamada, K.
  • Journal Title: Proceedings of the SPIE Volume: 11451 Pages: id. 114514Z
  • DOI: 10.1117/12.2561926
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Early High-contrast Imaging Results with Keck/NIRC2-PWFS: The SR 21 Disk (2020)
  • Author(s): Uyama, T., Ren, B., Mawet, D., Ruane, G., Bond, C. Z., Hashimoto, J., Liu, M. C., Muto, T., Ruffio, J.-B., Wallack, N., Baranec, C., Bowler, B. P., Choquet, E., Chun, M., Delorme, J.-R., Fogarty, K., Guyon, O., Jensen-Clem, R., Meshkat, T., Ngo, H., Wang, J. J., Wang, J., Wizinowich, P., Ygouf, M., & Zuckerman, B.
  • Journal Title: The Astronomical Journal Volume: 160 Pages: id.283
  • DOI: 10.3847/1538-3881/abc69a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SPICAで探る惑星形成過程の物質進化 (2020)
  • Author(s): 本田充彦，野村英子，野津翔太
  • Journal Title: 天文月報 Volume: 113 Pages: 774-783
  • Open Access
• [Presentation] ngVLAの概要と目指すサイエンス (2021)
  • Author(s): 百瀬宗武，伊王野大介
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
  • Invited
• [Presentation] ダストアグリゲイト間衝突による成長と破壊の質量比依存性 (2021)
  • 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2021年春季年会
• [Presentation] 超木星質量の巨大ガス惑星によって形成される原始惑星系円盤のギャップ特性とそのパラメータ依存性 (2021)
  • Author(s): 田中 佑希, 田中秀和, 金川和弘, 谷川享行
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [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] DM Tau 周囲のリング状原始惑星系円盤における弱い非軸対称構造 (2021)
  • Author(s): 橋本淳、武藤恭之、Ruobing Dong, Hauyu Baobab Liu, Nienke van der Marel, Logan Francis, 長谷川靖紘、塚越崇、小西美穂子、工藤智幸
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] WW Cha に付随する原始惑星系円盤のALMA観測 (2021)
  • Author(s): 金川和弘
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] Recent progresses of the observational study on planet formation with ALMA and the future prospects including the connection with ngVLA (2020)
  • Author(s): Munetake MOMOSE
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] ngVLAによる原始惑星系円盤観測，及びALMA観測とのシナジー (2020)
  • Author(s): 百瀬宗武，伊王野大介
  • Organizer: 日本天文学会2020年秋季年会
• [Presentation] ngVLAによる原始惑星系円盤観測の展望 (2020)
  • Author(s): 百瀬宗武，伊王野大介
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] 超高空間分解能による原始惑星系円盤観測の展望 (2020)
  • Author(s): 百瀬宗武
  • Organizer: 宇宙電波懇談会シンポジウム2020年度「極限性能で切り開く電波天文学」
• [Presentation] 焼結したダストの正面および斜め衝突の3次元数値シミュレーション (2020)
  • Author(s): 田中 秀和、奥住 聡、和田 浩二
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collisional Growth and Fragmentation of Dust Aggregates with Low to Very High Mass Ratios (2020)
  • Author(s): 長谷川 幸彦、鈴木 建、田中 秀和、小林 浩、和田 浩二
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高空隙ダストの引張強度と原始惑星系円盤内での回転による破壊 (2020)
  • Author(s): 辰馬 未沙子、片岡 章雅、田中 秀和
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二次元数値流体計算による巨大惑星へのガス降着モデルの検証 (2020)
  • Author(s): 中澤 佐穂、田中 佑希、田中 秀和
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超木星質量の巨大ガス惑星による原始惑星系円盤へのギャップ形成 (2020)
  • Author(s): 田中 佑希, 金川 和弘, 谷川 享行, 田中 秀和
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [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、小林 浩、渡邊 誠一郎、玄田 英典、兵頭 龍樹、犬塚 修一郎
  • 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、小林 浩
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [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: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [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
• [Presentation] Possible TAO/MIMIZUKU science cases for planet/STAR Formation related studies (2020)
  • Author(s): Mitsuhiko Honda
  • Organizer: MIMIZUKU Science Meeting #5
  • Invited
• [Presentation] Unravelling the physical conditions for planet formation (2020)
  • Author(s): Inga Kamp, Mitsuhiko Honda, Hideko Nomura
  • Organizer: SPICA (virtual) Science Collaboration Meeting #4
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of a cold chopper for TAO/MIMIZUKU (2020)
  • Author(s): M. Honda, T. Kamizuka, I. Jikuya, T. Miyata, K. Kato, D. Uchida, S. Kondo, T. Michifuji, K. Yamada
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2020 Digital Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] au スケールの円盤構造の詳細観測と感度見積もり (2020)
  • Author(s): 武藤恭之
  • Organizer: ngVLA サブワーキンググループ
• [Presentation] ALMA High Resolution Observations of GW Ori (2020)
  • Author(s): Jiaqing Bi, Ruobing Dong, Takayuki Muto
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] Dippers from the TESS Full-Frame Images (2020)
  • Author(s): Takayuki Muto
  • Organizer: Exoplanets III
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 惑星は恒星と同時に作られていく？ --原始星円盤の形成初期に存在する惑星形成リング--
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20210202_sci1.pdf
• [Remarks] 三つ子星の周りで見つかった、互い違いの原始惑星系円盤
  • URL: https://www.nao.ac.jp/news/science/2020/20200904-alma.html