2020 Fiscal Year Annual Research Report

数値流体計算で挑む惑星形成論の再構築：原始惑星系円盤の構造が果たす役割

Research Project

Project/Area Number	20J01376
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	小野智弘東京工業大学, 理学院, 特別研究員(PD)
Project Period (FY)	2020-04-24 – 2023-03-31
Keywords	惑星形成 / 原始惑星系円盤 / 数値シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題の目標は、原始惑星系円盤が普遍的に持つリング・ギャップ構造（RG構造）が惑星形成に与える影響を明らかにすることである。この目的を達成するために、３つの課題【１】RG構造がダスト成長に与える影響の解明、【２】RG構造と惑星軌道の共進化に関する研究、【３】RG構造が惑星形成に与える統計的影響の理解、を設定している。これにより、円盤RG構造を考慮した惑星形成論の再構築を目指している。本研究における主な研究手法は、Athena＋＋コードを用いた原始惑星系円盤の数値流体計算である。そこにおいて、計算を高速化する軌道移流法と円盤局所近似に対応するシアリングボックスが重要だ。研究代表者は格子再分割法やスーパータイムステッピング法と軌道移流法と併用できるようにコードを拡張し、多様な状況での円盤計算を高速かつ高精度に行えるようにした。また、シアリングボックス機能を改良し、使用するスキームによらず高精度な結果を得られるようになった。これらの成果は既にAthena++公開版として一般に公開されている。また、この成果に関する論文を投稿準備中である。当該年度は課題【１】に取り組み、Athena++のダストモジュールにダスト成長機能を追加する予定であった。しかし、ダストモジュールの開発に遅れが生じたため、代替機能である２流体モジュールの開発を行った。これにより、原始惑星系円盤のガスとダストの進化を同時に解くことが可能になった。その際、他の最新モジュールと併用可能である。上述のように、予定通りに課題【１】を遂行することは困難であった。そこで、課題【２】におけるAthena++惑星モジュールの開発と実装を前倒して行った。これによって、惑星円盤間重力相互作用を考慮した惑星と円盤の進化を追うことが可能になった。実装したモジュールは、従来他のコードに実装されていたものより高精度かつ高速である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 課題【１】で使用する予定であったAthena++ダストモジュールの開発が予期せず遅れたことにより、代替となる２流体モジュールを当初の計画に追加して開発することになった。これにより、課題【１】の遂行計画に遅れが生じた。一方、課題【２】で使用するAthena++惑星モジュールの開発を前倒して行った。結果として、当該年度終了段階での研究進行度は当初に予定していたものと変わらない。そのため、進捗状況は概ね順調であると判断した。
Strategy for Future Research Activity	当該年度に開発したコードを使用し、課題【１】・【２】の完遂を順次目指す。まず、２流体モジュールにダスト成長機能を追加する。その後、RG構造を持つ原始惑星系円盤中のガス・ダスト進化を数値計算で調べ、RG構造が微惑星形成に与える影響を明らかにする。次に、惑星モジュールを使用して数値流体計算を行い、円盤RG構造と惑星がどのように共進化していくのかを明らかにしていく。課題【１】・【２】が完成した後に、課題【３】に取り掛かる予定である。また、派生的な共同研究も積極的に進めていく。