2018 Fiscal Year Annual Research Report
原始惑星系円盤における多重リング構造と微惑星形成機構の統一的解明
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18J20360
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
冨永 遼佑 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 原始惑星系円盤 / 微惑星 / 惑星形成 / ダスト / 多重リング構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はダスト-ガス混合系の動力学と不安定性という観点から，近年様々な天体で観測されている原始惑星系円盤内のダストの多重リング構造の起源と，未解明の微惑星形成過程を統一的に解明することを目指す研究である．
本年度はまず，ガス乱流中で起こるダストの拡散現象に注目した研究を行った．ダスト拡散は多重リング形成に重要なダスト集積過程に影響を及ぼす極めて重要な現象である．しかし，それを記述した従来の方程式系には，本来保存するべき物理量が保存しないという理論的な欠陥があった．そこで本研究では平均場近似という操作に基づき，保存量が厳密に保存しつつダスト拡散を適切に記述する方程式系を新たに定式化した．定式化した方程式系は，本研究で行う安定性解析以外の研究にも容易に用いることが可能であり，汎用性が高い．
次に定式化した方程式系を用いてダストとガスの2成分を考慮した円盤の安定性解析を行った．その結果，まず多重リング形成機構の候補としてこれまで提案されていた永年重力不安定性の成長過程とその物理的性質を明らかにすることができた．また永年重力不安定性とは異なる新しい不安定性を発見した．この不安定性は摩擦とガスの乱流粘性によって駆動されるものであり，本研究ではTwo-component Viscous Gravitational Instability（TVGI）と名付けた．TVGIは永年重力不安定性と同様，観測された多重リング構造の起源になり得る現象である．またTVGIは永年重力不安定性と比べると，よりダストサイズが小さく，乱流が強い環境で成長することがわかった．このことからTVGIは円盤進化過程の比較的早い段階で成長することが予想される．
以上の研究成果を論文としてまとめ，Astrophysical Journalに投稿中である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画では，前年度までに我々が行ってきた永年重力不安定性の非線形数値シミュレーションにダスト拡散の効果を組み込んで，より現実的な1次元/2次元シミュレーションを行う予定であった．その組み込み方は，拡散を記述する従来の方程式系に準拠したものを予定していた．しかし本年度の研究活動を通して，その従来の方程式系に理論的欠陥があることがわかった．これは当初は認識していなかった問題である．この問題はダストの集積過程に非常に影響するため，不安定性による多重リング形成過程や微惑星形成過程を探求する上で解決するべき問題であった．そこで本研究ではこの理論的欠陥を解決した方程式の再定式化を優先して行った．その結果，より物理的に適切な方程式系を導出しただけでなく，TVGIという新しい現象を発見するに至った．この過程で得られた知見と方程式系は，今後予定している多次元シミュレーションを行う上で非常に重要である．したがって，当初の研究計画と比べるとやや遅れているものの，従来の問題を解決した方程式系を定式化したことと，新しい現象を発見したという成果を鑑みると，本研究課題はおおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまず，新たに定式化した方程式系に基づいて，拡散を含む永年重力不安定性の1次元非線形シミュレーションを行う．続いてガスの乱流粘性をシミュレーションコードに実装し，TVGIと永年重力不安定性の両方を考慮した非線形数値シミュレーションを行う．特にそれらの不安定性の線形/非線形成長の結果形成されるダストリングの幅と半径，リング内のダストとガスの密度比に注目した解析を行う．
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