Theoretical study about circumstellar disks and protostellar jets

• Project Area: A Paradigm Shift by a New Integrated Theory of Star Formation: Exploring the Expanding Frontier of Habitable Planetary Systems in Our Galaxy
• Project/Area Number: 21H00046
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 町田 正博 九州大学, 理学研究院, 教授 (10402786)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 星形成 / 磁気流体力学 / ジェット / 原始惑星系円盤 / 数値シミュレーション / 惑星形成 / 磁気流体 / ファーストスター / ブラックホール / 初期宇宙 / 星周円盤 / 磁気流体シミュレーション / 原始星ジェット

Outline of Research at the Start

スーパーコンピュータを用いて、星形成の母体である分子雲コアを初期条件として、重力崩壊するコア中で原始星が誕生し、その後、原始星周囲で円盤が成長してさらに惑星が誕生する段階までのシミュレーションを行う。その後シミュレーション結果の観測的可視化を行い、大型望遠鏡の観測結果と比較する。シミュレーションと最新の観測結果を比較しながら星と惑星の誕生シナリオを構築する。初年度にスーパーコンピュータを導入し設定を行う。同時に数値計算コードのチューニングも行う。その後、星形成の大規模シミュレーションを実行し、結果をALMA望遠鏡などの観測と比較する。

Outline of Annual Research Achievements

星形成過程での星周円盤の形成とジェット駆動機構を解明するために専用計算機SX-Aurora TSUBASAを購入し、大規模シミュレーションを実行した。星形成の母体となる分子雲コアをシミュレーションの初期条件として、磁場強度をパラメータとして数多くの計算を行った。また、原始星を空間分解した高空間分解能の計算とシンクセルを用いて原始星を空間分解しない低解像度の２種類の計算を行った。高解像度の計算は、原始星形成後短時間しか計算できないが高速ジェットを空間分解できる。低解像度の計算では、ジェットの高速度成分を分解出来ないものの、原始星形成後長時間の計算が可能である。これらの計算を比較してジェット駆動の条件を調べた。
計算の結果、星形成の母体となる分子雲コアの磁場が弱い場合には、星周円盤から駆動したジェットは降着ガスのラム圧によって成長を妨げられ成長しないことが分かった。他方、初期の分子雲コアが強い磁場を持つ場合には、星周円盤から駆動したジェットは短時間で十分に成長する。さらに、ジェットが成長する場合でも、円盤からのジェット駆動は非定常であることが分かった。ジェットは、分子雲コアの残骸から落下するガスの重力エネルギーの開放によって駆動している。原始星周辺は重力的に不安定であり、重力不安定性により成長した渦状碗構造が非定常降着を誘起する。そのため、非定常な質量放出は、非定常降着に起因している。また、磁場が強い場合には重力的に安定な円盤が形成し、定常なジェットが現れる。これらの結果から、初期に分子雲コアが持つ磁場強度が星形成過程において重要な役割を果たしていることが分かった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Observations of spiral and streamer on a candidate proto-brown dwarf (2024)
  • Author(s): Riaz B、Stamatellos D、Machida M N
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 529 Issue: 4 Pages: 3601-3609
  • DOI: 10.1093/mnras/stae724
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Outflows Driven from a Magnetic Pseudodisk (2024)
  • Author(s): Basu Shantanu、Sharkawi Mahmoud、Machida Masahiro N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 964 Issue: 2 Pages: 116-116
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad1bf3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dust Polarization of Prestellar and Protostellar Sources in OMC-3 (2024)
  • Author(s): Liu Yuhua、Takahashi Satoko、Machida Masahiro、Tomisaka Kohji、Girart Josep Miquel、Ho Paul T. P.、Nakanishi Kouichiro、Sato Asako
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 963 Issue: 2 Pages: 104-104
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad182d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Revealing Multiple Nested Molecular Outflows with Rotating Signatures in HH270mms1-A with ALMA (2024)
  • Author(s): Omura Mitsuki、Tokuda Kazuki、Machida Masahiro N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 963 Issue: 1 Pages: 72-72
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad19ce
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ring Gap Structure around Class I Protostar WL 17 (2024)
  • Author(s): Shoshi Ayumu、Harada Naoto、Tokuda Kazuki、Kawasaki Yoshihiro、Yamasaki Hayao、Sato Asako、Omura Mitsuki、Yamaguchi Masayuki、Tachihara Kengo、Machida Masahiro N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 961 Issue: 2 Pages: 228-228
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad12b5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Secondary Outflow Driven by the Protostar Ser-emb 15 in Serpens (2023)
  • Author(s): Sato Asako、Tokuda Kazuki、Machida Masahiro N.、Tachihara Kengo、Harada Naoto、Yamasaki Hayao、Hirano Shingo、Onishi Toshikazu、Matsushita Yuko
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 958 Issue: 2 Pages: 102-102
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad0132
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of turbulence intensity and fragmentation velocity on dust particle size evolution and non-ideal magnetohydrodynamics effects (2023)
  • Author(s): Kawasaki Yoshihiro、Machida Masahiro N
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 522 Issue: 3 Pages: 3679-3692
  • DOI: 10.1093/mnras/stad1241
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic Effects Promote Supermassive Star Formation in Metal-enriched Atomic-cooling Halos (2023)
  • Author(s): Hirano Shingo、Machida Masahiro N.、Basu Shantanu
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 952 Issue: 1 Pages: 56-56
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acda94
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of magnetic braking on high-mass close binary formation (2021)
  • Author(s): Harada Naoto、Hirano Shingo、Machida Masahiro N、Hosokawa Takashi
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 508 Issue: 3 Pages: 3730-3747
  • DOI: 10.1093/mnras/stab2780
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Can high-velocity protostellar jets help to drive low-velocity outflow? (2021)
  • Author(s): Machida Masahiro N
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 508 Issue: 3 Pages: 3208-3225
  • DOI: 10.1093/mnras/stab2626
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Supermassive Star Formation in Magnetized Atomic-cooling Gas Clouds: Enhanced Accretion, Intermittent Fragmentation, and Continuous Mergers (2021)
  • Author(s): Hirano Shingo、Machida Masahiro N.、Basu Shantanu
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 917 Issue: 1 Pages: 34-34
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0913
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Growth of magnetorotational instability in circumstellar discs around class 0 protostars (2021)
  • Author(s): Kawasaki Yoshihiro、Koga Shunta、Machida Masahiro N
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 504 Issue: 4 Pages: 5588-5611
  • DOI: 10.1093/mnras/stab1224
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research