微小ダストの磁場整列で解き明かす円盤のミリ波偏波の起源

• 研究領域: 新しい星形成論によるパラダイムシフト：銀河系におけるハビタブル惑星系の開拓史解明
• 研究課題/領域番号: 19H05068
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 田崎 亮 東北大学, 理学研究科, 客員研究者 (60839231)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: 原始惑星系円盤 / 輻射トルク / 氷 / 惑星形成 / ダスト整列 / 偏光 / 分子雲コア

研究開始時の研究の概要

星・惑星形成過程において磁場は様々な重要な役割を果たすと考えられている。そのため星・惑星形成領域の磁場を観測的に制限することは極めて重要である。磁場の情報は磁場に整列したダスト由来の偏波を観測することで制限されることが期待されている。ALMA望遠鏡により、原始惑星系円盤の偏波観測が飛躍的に進展しており、ミクロン・サイズ程度の小さな円盤ダストが磁場に対して整列していることが示唆されている。しかし、理論的には、円盤における小さなダストの磁場整列機構は未解明である。そこで本研究では、円盤におけるダスト整列過程を理論的に明らかにし、ミリ波偏波観測から星・惑星形成領域の磁場の情報を得る方法を探る。

研究実績の概要

本年度では，昨年度に引き続き，ダスト整列シミュレーションの基礎となる不規則形状ダストに働く輻射トルクの性質を数値的に調べた．特に，ダストの空隙構造を変化させた際の輻射トルクの変化に注目した解析を実施した．その結果，空隙を多く含むダストはトルクをより受けにくく，整列がより困難になることが明らかになった．つまり，原始惑星系円盤のミリ波偏波観測から示唆される整列由来の偏波は，比較的高密度な構造を持ったダストに起因している可能性がある．なお，輻射トルク以外のトルクを考慮した整列シミュレーション・コードは未だ開発途中であり，その完成は今後の課題である．次に，我々は円盤におけるダストの高速回転の観測的検証を試みる研究を実施した．磁場に対してダストが効率よく整列するためには，ダストの高速回転が必要である．このダストの高速回転は，ダスト表面の氷を剥離・破壊することが理論的に期待されている．そこで本研究では，星・惑星形成領域の近赤外線スペクトルからダスト表面の氷の存在量を調査した．まず，我々は近赤外線の偏光スペクトルから氷の性質を推定する新手法の構築に成功した．これは氷ダストによる散乱光の偏光度が氷のスペクトル・フィーチャーの中心波長付近で大幅に増幅する現象を応用したものである．この新手法を利用することで，星・惑星形成領域に存在するダスト中の氷の存在量やダスト半径を推定できる．次に，この新手法を原始星エンベロープの近赤外線偏光スペクトルの観測結果に適用した．その結果，原始星エンベロープのキャビティー領域では，標準的な氷の存在量に比べて大幅に氷が枯渇していることが明らかになった．この氷の枯渇は，高速回転による氷の剥離，もしくは紫外線による氷の破壊の存在を示唆している．本研究成果をまとめた論文を国際査読誌に投稿し，すでに受理・出版済である．

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Scattering Polarization of 3 μm Water-ice Feature by Large Icy Grains (2021)
  • 著者名/発表者名: Tazaki Ryo、Murakawa Koji、Muto Takayuki、Honda Mitsuhiko、Inoue Akio K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 910 号: 1 ページ: 26-26
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abdd3d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distortion of Magnetic Fields in the Dense Core SL 42 (CrA-E) in the Corona Australis Molecular Cloud Complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Kandori Ryo、Tamura Motohide、Saito Masao、Tomisaka Kohji、Matsumoto Tomoaki、Tazaki Ryo、Nagata Tetsuya、Kusakabe Nobuhiko、Nakajima Yasushi、Kwon Jungmi、Nagayama Takahiro、Tatematsu Ken’ichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 900 号: 1 ページ: 20-20
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abaab3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] SCExAO/CHARIS High-contrast Imaging of Spirals and Darkening Features in the HD 34700 A Protoplanetary Disk (2020)
  • 著者名/発表者名: Uyama Taichi、Currie Thayne、Christiaens Valentin、Bae Jaehan、Muto Takayuki、Takahashi Sanemichi Z.、Tazaki Ryo et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 900 号: 2 ページ: 135-135
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aba8f6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distortion of Magnetic Fields in a Starless Core. VI. Application of Flux Freezing Model and Core Formation of FeSt 1─457 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kandori, Ryo; Tomisaka, Kohji; Saito, Masao; Tamura, Motohide; Matsumoto, Tomoaki; Tazaki, Ryo; Nagata, Tetsuya; Kusakabe, Nobuhiko; Nakajima, Yasushi; Kwon, Jungmi; Nagayama, Takahiro; Tatematsu, Ken'ichi
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 888 号: 2 ページ: 120-120
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab6081
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distortion of Magnetic Fields in the Dense Core CB81 (L1774, Pipe 42) in the Pipe Nebula (2020)
  • 著者名/発表者名: Kandori, Ryo; Tamura, Motohide; Saito, Masao; Tomisaka, Kohji; Matsumoto, Tomoaki; Tazaki, Ryo; Nagata, Tetsuya; Kusakabe, Nobuhiko; Nakajima, Yasushi; Kwon, Jungmi; Nagayama, Takahiro; Tatematsu, Ken'ichi
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 890 号: 1 ページ: 14-14
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab67c5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distortion of Magnetic Fields in Barnard 335 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kandori, Ryo; Saito, Masao; Tamura, Motohide; Tomisaka, Kohji; Matsumoto, Tomoaki; Tazaki, Ryo; Nagata, Tetsuya; Kusakabe, Nobuhiko; Nakajima, Yasushi; Kwon, Jungmi; Nagayama, Takahiro; Tatematsu, Ken'ichi
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 891 号: 1 ページ: 55-55
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab6f07
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distortion of Magnetic Fields in BHR 71 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kandori Ryo、Tamura Motohide、Saito Masao、Tomisaka Kohji、Matsumoto Tomoaki、Tazaki Ryo、Nagata Tetsuya、Kusakabe Nobuhiko、Nakajima Yasushi、Kwon Jungmi、Nagayama Takahiro、Tatematsu Ken’ichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 892 号: 2 ページ: 128-134
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab7b68
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distortion of magnetic fields in Barnard 68 (2019)
  • 著者名/発表者名: Kandori Ryo、Tamura Motohide、Saito Masao、Tomisaka Kohji、Matsumoto Tomoaki、Kusakabe Nobuhiko、Kwon Jungmi、Nagayama Takahiro、Nagata Tetsuya、Tazaki Ryo、Tatematsu Ken’ichi
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 72 号: 1 ページ: 8-8
  • DOI: 10.1093/pasj/psz127
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 散乱偏光で探る星惑星形成領域の水氷 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田崎亮
  • 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] The effect of dust porosity on millimeter-wave scattering polarization in protoplanetary disks (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Tazaki
  • 学会等名: Five years after HL Tau: a new era in planet formation
  • 国際学会
• [学会発表] ダスト整列由来の熱的偏波放射のダスト空隙率依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田崎亮
  • 学会等名: 日本天文学会2020年春季講演会