輻射多流体計算を用いたより現実的な原始惑星系円盤内部進化モデルの構築

• 研究課題/領域番号: 19K23469
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0204:天文学、地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 仲谷 崚平 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 基礎科学特別研究員 (40846391)
• 研究期間 (年度): 2019-08-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 惑星形成 / 原始星円盤 / 原始惑星系円盤 / デブリ円盤 / 輻射流体計算 / 電波観測 / 星形成 / ダスト / 星間化学 / 輻射流体シミュレーション

研究開始時の研究の概要

星の進化過程で、若い星周りには原始惑星系円盤と呼ばれる幾何学的に薄い円盤が形成する。この円盤は惑星系の母天体であるため、その形成や進化を解明することは特に天文学・惑星科学分野において重要である。本研究では、原始惑星形円盤の主成分であるガス・ダストの物理的・化学的な構造を明らかにするため、輻射多流体シミュレーションを遂行する。既に開発している輻射流体数値計算コードを多流体コードにアップデートし、ガスとダストの力学的・化学的進化を独立かつ自己整合的に追う。円盤内ガス・ダストの多次元的な分布を数値計算で直接的に求め、次世代望遠鏡による高解像度観測との比較が可能な円盤モデルを世界に先駆け構築する。

研究成果の概要

本研究では惑星系の起源を解明することを目的に、惑星誕生の現場である原始星円盤・原始惑星系円盤の内部構造について理解する研究を理論・観測の両側面から行った。主な成果は以下のようにまとめられる。(1)観測的研究からこれまでで最も若い系で惑星形成の兆候を見られることを示した。(2)数値シミュレーションを用いた研究により、起源が謎である天体について、その形成を説明できるモデルを初めて提唱した。また、独自に開発したコードを国内外研究者に提供することで、惑星大気・分子雲・ミニハロー・ブラックホールなど多岐にわたる天体についての研究発展にも貢献した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究成果はこれまでの標準的な惑星形成論を覆すもの、また未解明問題の解明に向けての光明となるものである。(1)の成果は、これまで標準理論で考えられていたよりもかなり早い段階で惑星形成が起こっていることを示すもので、惑星形成論に修正を迫る結果である。(2)の成果は、長生きが可能な少し特異な性質を持つ円盤系では、月のような衛星形成が抑制される可能性があるため、生命居住環境構築可能性に示唆を与える結果である。（地球における月の形成は生命居住環境が形成する上で必須と考えられている。）(1)と(2)の成果は共に、惑星形成論だけでなく生命誕生の謎を迫る上でも示唆に富んだ重要な成果である。

研究成果

• [国際共同研究] NRAO(米国)
• [国際共同研究] テュービンゲン大学/マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] ASIAA(台湾)
• [国際共同研究] NRAO(米国)
• [国際共同研究] テュービンゲン大学/マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] NRAO(米国)
• [国際共同研究] ASIAA(その他の国・地域)
• [雑誌論文] Rapid Growth of Seed Black Holes during Early Bulge Formation (2022)
  • 著者名/発表者名: Inayoshi Kohei、Nakatani Riouhei、Toyouchi Daisuke、Hosokawa Takashi、Kuiper Rolf、Onoue Masafusa
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 927 号: 2 ページ: 237-237
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac4751
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stellar wind effect on the atmospheric escape of hot Jupiters and their Lyα and Hα transits (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitani Hiroto、Nakatani Riouhei、Yoshida Naoki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 512 号: 1 ページ: 855-860
  • DOI: 10.1093/mnras/stac556
  • 査読あり
• [雑誌論文] Misaligned Rotations of the Envelope, Outflow, and Disks in the Multiple Protostellar System of VLA 1623-2417: FAUST. III (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohashi Satoshi、Codella Claudio、Sakai Nami、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 927 号: 1 ページ: 54-54
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac4cae
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photoevaporation of Grain-depleted Protoplanetary Disks around Intermediate-mass Stars: Investigating the Possibility of Gas-rich Debris Disks as Protoplanetary Remnants (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakatani Riouhei、Kobayashi Hiroshi、Kuiper Rolf、Nomura Hideko、Aikawa Yuri
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 915 号: 2 ページ: 90-90
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0137
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ring Formation by Coagulation of Dust Aggregates in the Early Phase of Disk Evolution around a Protostar (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohashi, S., Kobayashi, H., Nakatani, R., Okuzumi, S., Tanaka, H., Murakawa, K., Zhang, Y., Liu, H. B., & Sakai, N.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 907 号: 2 ページ: 80-80
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd0fa
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] FAUST. II. Discovery of a Secondary Outflow in IRAS 15398-3359: Variability in Outflow Direction during the Earliest Stage of Star Formation? (2021)
  • 著者名/発表者名: Okoda Yuki、Oya Yoko、Francis Logan、... Nomura Hideko ... et al. (69人中47番目)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 910 号: 1 ページ: 11-11
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abddb1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Radiation Hydrodynamics Simulations of Protoplanetary Disks: Stellar Mass Dependence of the Disk Photoevaporation Rate (2021)
  • 著者名/発表者名: Komaki Ayano、Nakatani Riouhei、Yoshida Naoki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 910 号: 1 ページ: 51-51
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abe2af
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Substructure Formation in a Protostellar Disk of L1527 IRS (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakatani Riouhei、Liu Hauyu Baobab、Ohashi Satoshi、Zhang Yichen、Hanawa Tomoyuki、Chandler Claire、Oya Yoko、Sakai Nami
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 895 号: 1 ページ: L2-L2
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab8eaa
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] FAUST I. The hot corino at the heart of the prototypical Class I protostar L1551 IRS5 (2020)
  • 著者名/発表者名: Bianchi E、Chandler C J、Ceccarelli C ... Nomura, H. ... et al. (66人中46番目)
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 巻: 498 号: 1 ページ: L87-L92
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slaa130
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrodynamical simulations of protoplanetary disks including irradiation of stellar photons (2020)
  • 著者名/発表者名: Flores-Rivera Lizxandra、Flock Mario、Nakatani Riouhei
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 644 ページ: A50-A50
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202039294
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoevaporation of Minihalos During Cosmic Reionization: Primordial and Metal-enriched Halos (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakatani Riouhei、Fialkov Anastasia、Yoshida Naoki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 905 号: 2 ページ: 151-151
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abc5b4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoevaporation of Molecular Gas Clumps Illuminated by External Massive Stars: Clump Lifetimes and Metallicity Dependence (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakatani Riouhei、Yoshida Naoki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 883 号: 2 ページ: 127-127
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab380a
  • 査読あり
• [学会発表] 近年観測がもたらす惑星形成論への新展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 仲谷崚平
  • 学会等名: 初代星・初代銀河研究会2021
  • 招待講演
• [学会発表] 原始惑星系円盤光蒸発の再考 (2021)
  • 著者名/発表者名: 仲谷崚平、高棹真介
  • 学会等名: 天文学会 2021年秋季年会
• [学会発表] 原始惑星系円盤散逸における金属量の効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 仲谷崚平
  • 学会等名: 新学術「星惑星形成」オンライン研究会2021『低金属量環境下における星・惑星形成』
  • 招待講演
• [学会発表] 円盤光蒸発の基礎理論の構築に向けて (2021)
  • 著者名/発表者名: 仲谷崚平
  • 学会等名: ２０２１年 星・惑星形成研究会＠博多
• [学会発表] 輻射流体シミュレーションを用いたガスリッチデブリ円盤の始原ガス説の検証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 仲谷崚平、小林浩、Rolf Kuiper、野村英子、相川祐理
  • 学会等名: 天文学会春季年会
• [学会発表] 進化後期段階における原始惑星系円盤の光蒸発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 仲谷崚平、小林浩、Rolf Kuiper、野村英子、相川祐理
  • 学会等名: 惑星系形成若手研究会
• [学会発表] Radiation Hydrodynamics Simulations of Photoevaporating Disks: Dependencies on Disk Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Riouhei Nakatani
  • 学会等名: International Conference of the Research Unit "Planet Formation Witnesses and Probes: Transition Disks"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dust Substructure in a Protostellar Disk (2020)
  • 著者名/発表者名: Riouhei Nakatani
  • 学会等名: UT Joint Workshop on Protoplanetary Disks and Planets
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ダスト枯渇した原始惑星系円盤の光蒸発:ガスリッチ・デブリ円盤形成との関連性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 仲谷崚平、小林浩、Rolf Kuiper、野村英子、相川祐理
  • 学会等名: 新学術領域「星惑星形成」2020年度大研究会
• [学会発表] Radiation Hydrodynamics Simulations of Photoevaporating Protoplanetary Disks with Various Metallicities (2019)
  • 著者名/発表者名: Riouhei Nakatani, Takashi Hosokawa, Naoki Yoshida, Hideko Nomura, Rolf Kuiper
  • 学会等名: In the Spirit of Lyot 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Radiation Hydrodynamics Simulations of Photoevaporating Protoplanetary Disks: Metallicity Dependence (2019)
  • 著者名/発表者名: Riouhei Nakatani, Takashi Hosokawa, Naoki Yoshida, Hideko Nomura, Rolf Kuiper
  • 学会等名: Planet2/RESCEU Symposium 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Radiation Hydrodynamics Simulations of Photoevaporating Protoplanetary Disks: Implications to Metallicity Dependence of Disk Lifetimes (2019)
  • 著者名/発表者名: Riouhei Nakatani, Takashi Hosokawa, Naoki Yoshida, Hideko Nomura, Rolf Kuiper
  • 学会等名: Subaru Telescope 20th Anniversary
  • 国際学会
• [学会発表] Photoevaporation of Protoplanetary Disks: Metallicity Dependence and Lifetimes (2019)
  • 著者名/発表者名: Riouhei Nakatani, Takashi Hosokawa, Naoki Yoshida, Hideko Nomura, Rolf Kuiper
  • 学会等名: NAOJ Planet Formation Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Substructure Formation in a Protostellar Disk around a Class 0 Protostar (2019)
  • 著者名/発表者名: Riouhei Nakatani, Hauyu Baobab Liu, Satoshi Ohashi, Yichen Zhang, Tomoyuki Hanawa, Claire Chandler, Yoko Oya, Nami Sakai
  • 学会等名: Workshop for Protoplanetary Disks and Exoplanets
  • 国際学会