地球型惑星形成にともなう大気獲得とその組成進化についての理論的研究

• 研究領域: 水惑星学の創成
• 研究課題/領域番号: 20H04612
• 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: 名古屋大学
• 研究代表者: 小林 浩 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (40422761)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 惑星形成 / 惑星表層環境 / 原始惑星系円盤 / 微惑星 / 惑星形成理論 / 惑星大気獲得 / 水の輸送 / 惑星衝突 / 水輸送 / 地球型惑星 / 小石 / 惑星表層環境進化

研究開始時の研究の概要

地球のような水が豊かで生命を育む惑星は、惑星表層環境や惑星大気の組成が重要である。惑星大気は惑星形成過程に進化する。そのため、最新の惑星形成理論に基づき惑星大気の形成や進化を調べることが、地球のような惑星形成を考える上で必要である。本研究では、最新の惑星形成シミュレーションを用いて、惑星大気の進化を調べる。その結果は、水惑星を形成する条件を明らかにすることが期待される。また、これにより太陽系外惑星系での水惑星の形成や木星や土星周りの衛星系における水衛星の形成についても議論が可能になるだろう。

研究実績の概要

地球の表層環境の形成を調べるために、(1)木星による氷微惑星の地球への輸送と(2)微惑星の古地球への衝突に伴う蒸発過程を調べた。(1)の過程は、木星がいつできるかに依存するため、木星の形成過程についてまずは調べた。従来の研究では木製形成は非常に難しく原始惑星系円盤が残っている間(数百万年程度)に作るのも困難と言われていたが、私はダストの成長から包括的に調べる「統一シミュレーション」を実施し、その結果、数十万年で木星形成が可能ということを示した。また、木星が形成される時に大量の氷微惑星が木星の周りに残ることもわかった。この結果は、Kobayashi & Tanaka (2021)にまとめた。また、Shibata et al. (2023)で残存微惑星が木星のガス集積中にどのくらい木星に集積されるかも調べ、木星への集積は半分以下であることも突き止めた。その結果、残存の氷微惑星がどの程度、地球へ運ばれ得るかをN体シミュレーションに基づき解析的により求めた。その結果、原始惑星系円盤の散逸に伴い非常に多くの氷微惑星を地球へ輸送できることがわかった。そして、現在の地球の水の量を優位に超える氷微惑星を輸送しないために微惑星のサイズが10km以下程度と制限がつけられることも分かった。この結果を日本天文学会2023年春季年会で発表した。
一方、(2)の過程を調べるために衝突シミュレーションを行った。衝突に伴う蒸発量は最高到達内部エネルギー等が重要になる。シミュレーションを行い詳細に調べるとともに、解析的にも調べた。その結果、シミュレーションを再現できる解析解を導出することに成功した。この結果は投稿中媚中である。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Zurich(スイス)
• [国際共同研究] Academia Sinica Institute, TAIWAN(その他の国・地域)
• [国際共同研究] University of Virginia(米国)
• [国際共同研究] University of Tuebingen(ドイツ)
• [雑誌論文] Collisional Growth and Fragmentation of Dust Aggregates. II. Mass Distribution of Icy Fragments (2023)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Yukihiko、Suzuki Takeru K.、Tanaka Hidekazu、Kobayashi Hiroshi、Wada Koji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 944 号: 1 ページ: 38-38
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acadda
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Heavy-element accretion by proto-Jupiter in a massive planetesimal disc, revisited (2022)
  • 著者名/発表者名: Shibata S、Helled R、Kobayashi H
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 519 号: 2 ページ: 1713-1731
  • DOI: 10.1093/mnras/stac3568
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spitzer/IRS Full Spectral Modeling to Characterize Mineralogical Properties of Silicate Dust in Heavily Obscured AGNs (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuchikawa T.、Kaneda H.、Oyabu S.、Kokusho T.、Kobayashi H.、Toba Y.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 941 号: 1 ページ: 50-50
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9b23
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear Outcome of Coagulation Instability in Protoplanetary Disks. II. Dust-ring Formation Mediated by Backreaction and Fragmentation (2022)
  • 著者名/発表者名: Tominaga Ryosuke T.、Tanaka Hidekazu、Kobayashi Hiroshi、Inutsuka Shu-ichiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 940 号: 2 ページ: 152-152
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac97e8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear Outcome of Coagulation Instability in Protoplanetary Disks. I. First Numerical Study of Accelerated Dust Growth and Dust Concentration at Outer Radii (2022)
  • 著者名/発表者名: Tominaga Ryosuke T.、Kobayashi Hiroshi、Inutsuka Shu-ichiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 937 号: 1 ページ: 21-21
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac82b4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of Dust Clumps with Sub-Jupiter Mass and Cold Shadowed Region in Gravitationally Unstable Disk around Class 0/I Protostar in L1527 IRS (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohashi Satoshi、Nakatani Riouhei、Liu Hauyu Baobab、Kobayashi Hiroshi、Zhang Yichen、Hanawa Tomoyuki、Sakai Nami
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 934 号: 2 ページ: 163-163
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac794e
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] No Evidence of the Significant Grain Growth but Tentative Discovery of Disk Substructure in a Disk around the Class I Protostar L1489 IRS (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohashi Satoshi、Kobayashi Hiroshi、Sai Jinshi、Sakai Nami
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 933 号: 1 ページ: 23-23
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6fcf
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A systematic study of silicate absorption features in heavily obscured AGNs observed by Spitzer/IRS (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuchikawa T.、Kaneda H.、Oyabu S.、Kokusho T.、Kobayashi H.、Yamagishi M.、Toba Y.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 651 ページ: A117-A117
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202140483
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Collisional Growth and Fragmentation of Dust Aggregates with Low Mass Ratios. I. Critical Collision Velocity for Water Ice (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Yukihiko、Suzuki Takeru K.、Tanaka Hidekazu、Kobayashi Hiroshi、Wada Koji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 915 号: 1 ページ: 22-22
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abf6cf
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] The Growth of Protoplanets via the Accretion of Small Bodies in Disks Perturbed by the Planetary Gravity (2021)
  • 著者名/発表者名: Okamura Tatsuya、Kobayashi Hiroshi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 916 号: 2 ページ: 109-109
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac06c6
  • NAID: 120007190693
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] SPH simulations for shape deformation of rubble-pile asteroids through spinup: The challenge for making top-shaped asteroids Ryugu and Bennu (2021)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Keisuke、Kobayashi Hiroshi、Watanabe Sei-ichiro、Genda Hidenori、Hyodo Ryuki、Inutsuka Shu-ichiro
  • 雑誌名: Icarus 巻: 365 ページ: 114505-114505
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114505
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of Dust Size on the Near-infrared Spectra (1.0?5.0 μm) of Brown Dwarf Atmospheres (2021)
  • 著者名/発表者名: Sorahana Satoko、Kobayashi Hiroshi、Tanaka Kyoko K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 919 号: 2 ページ: 117-117
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac1271
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rapid Formation of Gas-giant Planets via Collisional Coagulation from Dust Grains to Planetary Cores (2021)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Hiroshi、Tanaka Hidekazu
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 922 号: 1 ページ: 16-16
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac289c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coagulation Instability in Protoplanetary Disks: A Novel Mechanism Connecting Collisional Growth and Hydrodynamical Clumping of Dust Particles (2021)
  • 著者名/発表者名: Tominaga Ryosuke T.、Inutsuka Shu-ichiro、Kobayashi Hiroshi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 923 号: 1 ページ: 34-34
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac173a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] New Growth Mechanism of Dust Grains in Protoplanetary Disks with Magnetically Driven Disk Winds (2021)
  • 著者名/発表者名: Taki Tetsuo、Kuwabara Koh、Kobayashi Hiroshi、Suzuki Takeru K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 909 号: 1 ページ: 75-75
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd79f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Morota, T., Sugita, S., Cho, Y., Kanamaru, M., Tatsumi, E., Sakatani, N., Honda, R., Hirata, N. et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 368 号: 6491 ページ: 654-659
  • DOI: 10.1126/science.aaz6306
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Is water ice an efficient facilitator for dust coagulation? (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Hiroshi、Wada Koji、Kobayashi Hiroshi、Senshu Hiroki、Hirai Takayuki、Yoshida Fumi、Kobayashi Masanori、Hong Peng K、Arai Tomoko、Ishibashi Ko、Yamada Manabu
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 498 号: 2 ページ: 1801-1813
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2467
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Planet Formation and Debris Disk Evolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: Debris Disk Workshop 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The Amount of Vapor via Collisions (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryushi Miyayama, Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: Debris Disk Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Short-term Brightness Evolution of Debris Disk after Ejection from Giant Impacts (2023)
  • 著者名/発表者名: Leonardo da Motta de Vasconcellos Teixeira, Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: Debris Disk Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] COLLISIONAL HISTORIES OF ASTEROIDS RYUGU AND BENNU INFERRED FROM THE ABUNDANCE OF EXOGENIC BOULDERS (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Sugita, H. Kobayashi, K. Sugiura, H. Genda, E. Tatsumi, M. Jutzi, and P. Michel
  • 学会等名: 54th Lunar and Planetary Science Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 木星形成による雪線内側への氷微惑星輸送 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林浩、安田郁斗
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] 小天体衝突が形成する衝撃波圧力分布の状態方程式依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮山隆志，小林浩
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] Planet Formation and Disk Evolution (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 新学術「星惑星形成」2022年度大研究会
• [学会発表] Numerical simulations of catastrophic collisions of asteroids and fractions of impactor fragments included in remnants (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Sugiura, Hiroshi Kobayashi, Seiji Sugita, Hidenori Genda, Eri Tatsumi, Tomokatsu Morota
  • 学会等名: AAS Division of Planetary Science meeting #54
  • 国際学会
• [学会発表] Revisiting Planetesimal Accretion onto Proto-Jupiter (2022)
  • 著者名/発表者名: Sho Shibata, Ravit Helled, Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: 16th Europlanet Science Congress 2022
  • 国際学会
• [学会発表] The amount of vapor caused by an impact and its dependence on equation of state (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryushi Miyayama, Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Short-term Evolution of Debris Disks formed from a Giant Impact in the Late Stages of Planet Formation (2022)
  • 著者名/発表者名: Leonardo Da Motta Vascnoncellos Teixeira, Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 原始惑星の衝突シミュレーションの衝突破壊モデル構築 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林 浩
  • 学会等名: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [学会発表] 木星の氷微惑星散乱による雪線内側への水供給についての理論的研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 安田 郁斗、小林 浩
  • 学会等名: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [学会発表] 微惑星衝突に伴う固体蒸発・溶融量の状態方程式依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮山 隆志、小林 浩
  • 学会等名: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [学会発表] 巨大衝突起源のデブリ円盤と短時間フラックス変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: Leonardo da Motta de Vasconcellos Teixeira, Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [学会発表] ダストから惑星までの統一シミュレーショ ン : 円盤温度とダスト密度依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年 秋季年会
• [学会発表] ダストの衝突破壊における破片の質量分布と衝突速度と質量比の関係性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 長谷川幸彦, 鈴木建, 田中秀和, 小林浩, 和田浩二
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年 秋季年会
• [学会発表] 円盤風を考慮した原始惑星系円盤ガス面密度進化の 1 次元モデル (2022)
  • 著者名/発表者名: 瀧 哲朗, 小林 浩, 小久保英一郎, 鈴木 建
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年 秋季年会
• [学会発表] 微惑星衝突に伴う固体蒸発量とその状 態方程式依存性の検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮山隆志、小林浩
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年 秋季年会
• [学会発表] Early Formation of Gas Giant Planets Revealed by Dust-to-Planet Simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: Astrophysical International Seminar Kiel
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The Representativeness of Ryugu Samples Estimated from Statistical Analysis of Boulder Color Distribution (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugita, S., Yumoto, K., Ebihara, T., Morota, T., Tatsumi, E., DellaGiustina, D. N., Kobayashi, H., Honda, R., Kameda, S., Sakatani, N., et al.
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 微惑星形成・天体形成/移動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 始原天体ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Early Formation of Gas-Giant Planets Revealed by Dust-to-Planet Simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 新学術「星・惑星形成」2021年度大研究会
• [学会発表] Early Formation of Jupiter Revealed by Dust-to-Planet Simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 令和3年度核マントル共進化研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] 巨大衝突起源のデブリ円盤の特徴解明に向けた巨大衝突シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季年会
• [学会発表] 地球型惑星形成にともなう大気獲得とその組成進化についての理論的研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 第5回 新学術領域研究「水惑星学」全体会議
• [学会発表] 巨大ガス惑星のコア形成理論 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 新学術「星・惑星形成」A02A03合同会議
• [学会発表] ダストから惑星への統一シミュレーションによる巨大ガス惑星形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林浩、田中秀和
  • 学会等名: 日本惑星科学会秋季講演会
• [学会発表] ダストから惑星まで統一シミュレーション：巨大ガス惑星形成と軌道の分布 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林浩、田中秀和
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季年会
• [学会発表] The Collisional History in the Main Belt (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 惑星形成の衝突史解明に向けた はやぶさ2のデータの重要性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 「惑星形成過程とはやぶさ２探査」研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Dust in Planet Formation (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: PERC Int'l Symposium on Dust & Parent Bodies 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 惑星形成と氷微惑星の移動 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 第4回 新学術領域研究「水惑星学」全体会議
• [学会発表] 原始惑星重力下での 原始惑星系円盤ガスの流れと小天体の衝突率 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 日本天文学会2021年春季年会
• [学会発表] ダストから惑星への直接合体成長とALMAで観測される原始惑星系円盤の進化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: JpGU -AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] Numerical Simulations of Spinup of Asteroids and the Formation of Top-Shaped Asteroids (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉浦圭祐
  • 学会等名: JpGU -AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 原始惑星系円盤中でのダストから惑星まで一貫した直接合体成長の理論的研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 日本天文学会2020年秋季年会
• [学会発表] 原始惑星重力下での原始惑星系円盤ガスの流れと小天体の衝突率 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岡村達弥
  • 学会等名: 2020年度惑星科学会秋季講演会
• [学会発表] ダストから惑星まで直接合体成長を取り扱う統一シミュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 2020年度惑星科学会秋季講演会
• [学会発表] ダストから惑星まで成長を取り扱う 大統一シミュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 2020年理論懇シンポジウム
• [備考] 小林浩の研究紹介
  • URL: https://www.astro-th.phys.nagoya-u.ac.jp/~hkobayas/hp_main/research_j.html
• [備考] 惑星は恒星と同時に作られていく？ー原始星円盤の形成初期に存在する惑星形成リングー
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20210202_sci1.pdf