Snow lines at the origin of multiple dust rings in protoplanetary disks

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K03926
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 奥住 聡 東京工業大学, 理学院, 准教授 (60704533)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 惑星形成 / 原始惑星系円盤

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、原始惑星系円盤において雪線（スノーライン）上のダストリング形成から惑星形成までの一連の過程を解明することである。雪線の位置の正確に予言するためには、円盤の温度構造とダストの進化（成長・移動）とを整合的に計算することが必須である。このような整合的な計算を可能にするための数値シミュレーションコードの開発を昨年度まで継続して行ってきたが、本年度はついにその計算コードが完成した。完成した計算コードは、「熱波不安定性」と呼ばれる円盤温度の振動をを取り扱うことができるようになっており、熱波不安定性とダストの共進化を計算できる世界で初めてのコードとなっている。本成果を学会等で発表し、筆頭論文を国際誌に投稿した(査読中, arXiv:2201.09241)。

さらに上記のコードを用いて、熱波不安定性の中でのダストの移動・移動を計算したところ、熱波不安定性で生じる円盤内の同心円上の高温領域にダストが集中し、ダストリングを形成することを発見した。ダスト成長の効率によってはダストリングの密度が十分に上昇し、微惑星形成につながる別の不安定性（ストリーミング不安定性や永年重力不安定性）が引き起こされうる。このダストリング形成現象は雪線上でのそれとは異なるものではあるが、円盤の不安定性が自然とダストリング形成と惑星形成を引き起こす1つの具体例として非常に重要であり、これを発見した意義は非常に大きい。

熱波不安定性で円盤温度に同心円上の波が生じると、雪線の位置も振動する。本研究では上記シミュレーションコードを用いて主要分子種(H2O, CO2, CO)の雪線の軌道半径の振動周期と振幅を調べたところ、雪線の軌道半径は最大で3,4倍程度変化することがわかった。原始惑星系円盤のダストリングの位置は多様であることが天文観測からわかっており、本研究の計算結果はこの観測的傾向を説明する可能性がある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Jet Propulsion Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Jet Propulsion Laboratory
• [Int'l Joint Research] Max-Planck Institute for Astronomy(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max-Planck Institute for Astronomy
• [Journal Article] ALMA High-resolution Multiband Analysis for the Protoplanetary Disk around TW Hya (2022)
  • Author(s): Tsukagoshi, T., Nomura, H., Muto, T., Kawabe, R., Kanagawa, K. D., Okuzumi, S., Ida, S., Walsh, C., Millar, T. J., Takahashi, S. Z., Hashimoto, J., Uyama, T., & Tamura, M.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 928 Pages: 49
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac5111
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Steady-state accretion in magnetized protoplanetary disks (2022)
  • Author(s): Delage, T. N., Okuzumi, S., Flock, M., Pinilla, P., & Dzyurkevich, N.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 658 Pages: A97
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202141689
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling Early Clustering of Impact-induced Ejecta Particles Based on Laboratory and Numerical Experiments (2021)
  • Author(s): Nakazawa, K., Okuzumi, S., Kurosawa, K., & Hasegawa, S.
  • Journal Title: The Planetary Science Journal Volume: 2 Pages: 237
  • DOI: 10.3847/PSJ/ac3a6d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Early Initiation of Inner Solar System Formation at the Dead-zone Inner Edge (2021)
  • Author(s): Ueda, T., Ogihara, M., Kokubo, E., & Okuzumi, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 921 Pages: L5
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac2f3b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transmission Electron Microscopy Study of the Morphology of Ices Composed of H2O, CO2, and CO on Refractory Grains (2021)
  • Author(s): Kouchi, A., Tsuge, M., Hama, T., Oba, Y., Okuzumi, S., Sirono, S.-. iti ., Momose, M., Nakatani, N., Furuya, K., Shimonishi, T., Yamazaki, T., Hidaka, H., Kimura, Y., Murata, K.-. ichiro ., Fujita, K., Nakatsubo, S., Tachibana, S., & Watanabe, N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 918 Pages: 45
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0ae6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evolution of the Water Snow Line in Magnetically Accreting Protoplanetary Disks (2021)
  • Author(s): Mori, S., Okuzumi, S., Kunitomo, M., & Bai, X.-N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 916 Pages: 72
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac06a9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of chiral CO polyhedral crystals on icy interstellar grains (2021)
  • Author(s): Kouchi, A., Tsuge, M., Hama, T., Niinomi, H., Nakatani, N., Shimonishi, T., Oba, Y., Kimura, Y., Sirono, S.-. iti ., Okuzumi, S., Momose, M., Furuya, K., & Watanabe, N.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 505 Pages: 1530-1542
  • DOI: 10.1093/mnras/stab1173
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Dust Evolution on the Vertical Shear Instability in the Outer Regions of Protoplanetary Disks (2021)
  • Author(s): Fukuhara, Y., Okuzumi, S., & Ono, T.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 914 Pages: 132
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abfe5c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High Spatial Resolution Observations of Molecular Lines toward the Protoplanetary Disk around TW Hya with ALMA (2021)
  • Author(s): Nomura, H., Tsukagoshi, T., Kawabe, R., Muto, T., Kanagawa, K. D., Aikawa, Y., Akiyama, E., Okuzumi, S., Ida, S., Lee, S., Walsh, C., & Millar, T. J.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 914 Pages: 113
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abfb6a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Tale of Two Grains: Impact of Grain Size on Ring Formation via Nonideal Magnetohydrodynamic Processes (2021)
  • Author(s): Hu, X., Wang, L., Okuzumi, S., & Zhu, Z.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 913 Pages: 133
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abf4c7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Haze Formation on Triton (2021)
  • Author(s): Ohno, K., Zhang, X., Tazaki, R., & Okuzumi, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 912 Pages: 37
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abee82
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of primitive CO2-bearing fluid in an aqueously altered carbonaceous chondrite (2021)
  • Author(s): Tsuchiyama, A., Miyake, A., Okuzumi, S., Kitayama, A., Kawano, J., Uesugi, K., Takeuchi, A., Nakano, T., & Zolensky, M.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Pages: eabg9707
  • DOI: 10.1126/sciadv.abg9707
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 弱電離・微粒子プラズマとしての原始惑星系円盤 (2022)
  • Author(s): 奥住聡
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 原始惑星系円盤の温度進化計算のための大局2層モデルの開発 (2022)
  • Author(s): 奥住聡, 植田高啓, Neal J. Turner
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 鉛直シア不安定性乱流に対する原始惑星系円盤の熱緩和構造の影響 (2022)
  • Author(s): 福原優弥, 奥住聡, 小野智弘
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 原始惑星系円盤の磁束輸送: 電離度と降着流の鉛直構造を考慮したモデル化 (2022)
  • Author(s): 榎本晴日, 奥住聡
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 原始惑星系円盤における磁束輸送過程 (2022)
  • Author(s): 岩崎一成, 富田賢吾, 高棹真介, 奥住聡, 鈴木建
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 磁場を考慮した鉛直シアー不安定性由来の乱流 (2022)
  • Author(s): 小野智弘, 福原優弥, 奥住聡
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 低温かつ任意のダストサイズ分布で正確な磁気抵抗値の解析モデルの開発 (2022)
  • Author(s): 塚本裕介, 奥住聡
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 大質量原始星円盤におけるダスト成長: 岩石ダストは付着しやすいか? (2022)
  • Author(s): 山室良太, 田中圭, 奥住聡
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 半揮発性物質の輸送に伴う原始惑星系円盤および巨大ガス惑星の元素濃縮 (2022)
  • Author(s): 中澤風音, 奥住聡
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] 磁気流体力学的に降着する原始惑星系円盤のスノーラインの進化: 岩石惑星の水含有量進化への示唆 (2021)
  • Author(s): 近藤克, 奥住聡, 森昇志
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] 原始惑星系円盤の非定常な温度構造進化: 新しい数値計算法の開発と熱波不安定への応用 (2021)
  • Author(s): 奥住聡, 植田高啓, Neal J. Turner
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] ガス惑星のつくるギャップを跨いだ円盤ダスト混合に対するダストサイズ分布の影響 (2021)
  • Author(s): 本間和明, 奥住聡
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] ダストによる現実的な円盤冷却下の鉛直シア不安定性乱流 (2021)
  • Author(s): 福原優弥, 奥住聡, 小野智弘
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] 原始惑星系円盤における磁束輸送と円盤進化 (2021)
  • Author(s): 榎本晴日, 奥住聡
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] 磁気流体力学的に降着する原始惑星系円盤のスノーラインの進化: ダスト成長の影響 (2021)
  • Author(s): 近藤克, 奥住聡, 森昇志
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Presentation] 磁気流体力学的に降着する原始惑星系円盤のスノーラインの進化：一貫したダストモデルを用いた解析 (2021)
  • Author(s): 近藤克, 奥住聡, 森昇志
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] ダスト成長による原始惑星系円盤の鉛直シア不安定性の抑制: 円盤観測への示唆 (2021)
  • Author(s): 福原優弥, 奥住聡
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会