ハビタブル地球型惑星の形成理論

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 太陽系外惑星の新機軸：地球型惑星へ
• 研究課題/領域番号: 23103005
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 井田 茂 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (60211736)
• 研究分担者: 長沢 真樹子 東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (00419847) ; 野村 英子 東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (20397821) ; 渡邊 誠一郎 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (50230967) ; 中本 泰史 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (60261757) ; 奥住 聡 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (60704533) ; 犬塚 修一郎 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80270453) ; 生駒 大洋 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (80397025) ; 小久保 英一郎 国立天文台, 理論研究部, 教授 (90332163)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 系外惑星 / 惑星形成 / 星形成 / 天体物理学

研究実績の概要

原始惑星系円盤については、形成直後の円盤の自己重力分裂過程の力学を詳しく調べ，過去の研究の不十分な点を明らかにした。また、永年重力不安定性により円盤上に多数の縞々構造が生まれ微惑星形成及びデブリ円盤への進化につながる可能性を示した．円盤外縁部から落下する氷ダストの捕獲を考慮した原始惑星の成長・組成進化計算を行い、氷ダストの供給がある限り、岩石原始惑星は10万年程度という短い時間で大型氷惑星へと進化することを明らかにした。また、円盤外縁における回転不安定性とそのALMA観測による検証可能性を調べた
系外巨大ガス惑星については、微惑星によるエンベロープ内で生じるH2Oの凝結の効果によって暴走的ガス流入を引き起こす臨界コア質量が大幅に小さくなることを示した．また、視線速度観測された複数惑星系の巨大ガス惑星に対して高精度軌道計算を行い，安定性解析から惑星の実際の軌道を制約した．さらに、標準的なコア集積によっても、直接撮像で検出されているような中心星から離れた巨大ガス惑星が形成され得ることを指摘した。一方で、木星の影の中のガリレオ衛星を反射体として利用し、系外ガス惑星のアナログとなる木星大気中のダストの性質を求めた。
系外スーパーアースに関しては、中心星近傍に存在する大型地球型惑星の形成について、巨大衝突段階の多体シミュレーションにより、原始惑星系の質量分布や軌道構造を明らかにした。スーパーアースによる円盤ガス獲得過程と最終的な大気質量を系統的に調べ，モデルによる予言値に比べて実際にトランジット観測されている半径は比較的大きく，低温での集積・惑星移動の可能性が示唆された．一方，中心星に近く高温で，岩石成分が気化しているような大気の性質を明らかにし，観測可能性を調べ、次世代宇宙望遠鏡でスーパーアースが岩石惑星か否かを観測的に区別する手法を開発した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

巨大ガス惑星の多様性に関連し，高精度軌道計算による軌道安定性解析の手法を確立し、多様性を観測する新しい視点を提示できた。実際の系外惑星観測データとの比較検討は今後の課題であるが、特に現在サーベイが進行中の太陽の数倍の質量の恒星のまわりの惑星系の解析に威力を発揮すると考えられる。また、これまで不可能と考えられてきた標準的なコア集積による中心星から離れた巨大ガス惑星の形成モデルを確立できたことは大きい。
スーパーアースの多様性に関連し，高温大気の構造と観測可能性を明らかにすることができた。実際のスーパーアース大気の観測や比較は今後の課題。軌道に関しては、近接大型地球型惑星を含む地球型惑星形成の巨大衝突段階について基本的な物理が明らかにされつつある。今後は円盤ガスとの相互作用を取り入れて調べていく。スーパーアースとハビタブル地球型惑星の作り分けに対しては、円盤氷ダストの成長・軌道移動の素過程から説明を与えるモデルが完成した。

今後の研究の推進方策

提案した永年重力不安定性は、チリで本格稼動を始めた電波望遠鏡ALMAにより発見されたHL-Tauの縞々構造を説明する可能性がある．また，それが微惑星形成につながる可能性があるため，非線形進化過程などをさらに詳細に調べる．円盤ガス散逸に関する研究の論文化は若干遅れているので、今後光蒸発の流体シミュレーションに重点的に取り組む。
最終年度の総合化に向けて、円盤の力学進化と円盤中ダストの熱進化を同時に考慮し，同位体組成や化学組成が太陽系で観測されるものと合う進化過程を明らかにする。たとえば、高速微惑星と弧状衝撃波によるコンドリュール形成の可能性を調べ，円盤ガスの進化や木星の形成についての条件を明らかにする。また、スーパーアースとハビタブル地球型惑星それぞれの形成確率が、原始惑星系円盤の形成初期条件・環境条件とどのように対応づくのかを解明するために、氷ダスト捕獲を通じた原始惑星の成長・組成進化計算を円盤形成・進化計算と組み合わせて実施する。
巨大ガス惑星の多様性については、原始エンベロープの重元素汚染によって衝突断面積が拡大するという微惑星集積へのフィードバックを考慮し，コア形成時間削減の可能性を検討する．また、さらに多くの太陽の数倍の質量の恒星の複数惑星系において同様の研究を実行し，太陽質量程度の星周りにおけるの惑星系形成との違いについて，統一的理解を進める．
スーパーアースの多様性については、巨大惑星の連鎖集積モデルの検証のために、GPUを用いた大規模多体シミュレーション用コードを開発し、惑星移動・集積・蒸発という一連の進化を考慮した統合モデルを構築する．その上で，トランジット観測による質量と半径の観測値に基いて，形成過程の多様性を理解する．また，短周期スーパーアースがスノーライン以遠から移動してきたかどうかをトランジット２次触観測を用いて検証するため理論を検討する．

研究成果

• [雑誌論文] Theoretical Emission Spectra of Atmospheres of Hot Rocky Super-Earths (2015)
  • 著者名/発表者名: Ito, Y., Ikoma, M., Kawahara, H., Nagahara, H., Kawashima, Y., and Nakamoto, T.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 801 ページ: 144 (15pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/801/2/144
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Nonlinear Ohm's Law: Plasma Heating by Strong Electric Fields and its Effects on the Ionization Balance in Protoplanetary Disks (2015)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Okuzumi & Shu-ichiro Inutsuka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 800 ページ: 47 (19pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/800/1/47
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Radiation Magnetohydrodynamic Simulations of Protostellar Collapse: Nonideal Magnetohydrodynamic Effects and Early Formation of Circumstellar Disks (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomida, K., Okuzumi, S., Machida, M. N.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 801 ページ: 117(20pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/801/2/117
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Outward Motion of Porous Dust Aggregates by Stellar Radiation Pressure in Protoplanetary Disks (2015)
  • 著者名/発表者名: Tazaki, Nomura,H.
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 799 ページ: 119(9pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/799/2/119
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Near-Infrared Brightness of the Galilean Satellites Eclipsed in Jovian Shadow: A New Technique to Investigate Jovian Upper Atmosphere (2014)
  • 著者名/発表者名: Tsumura, K., Arimatsu, K., Egami, E., Hayano, Y., Honda, C., Kimura, J., Kuramoto, K., Matsuura, S., Minowa, Y., Nakajima, K., Nakamoto, T., Shirahata, M., Surace, J., Takahashi, Y., and Wada, T.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 789 ページ: 122 (6 pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/789/2/122
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Revisiting Jovian-Resonance Induced Chondrule Formation (2014)
  • 著者名/発表者名: Nagasawa, M., Tanaka, K. K., Tanaka, H., Nakamoto, T., Miura, H., and Yamamoto, T.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 794 ページ: L3 (5pp)
  • DOI: 10.1088/2041-8205/794/1/L7
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of radiation transfer on the structure of self-gravitating disks, their fragmentation and evolution of the fragments (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Tsukamoto, Sanemichi Z. Takahashi, Masahiro N. Machida, Shu-ichiro Inutsuka
  • 雑誌名: MNRAS 巻: 446 ページ: 1175-1190
  • DOI: 10.1093/mnras/stu2160
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Two-component Secular Gravitational Instability in a Protoplanetary Disk: A Possible Mechanism for Creating Ring-like Structures (2014)
  • 著者名/発表者名: Sanemichi Z. Takahashi & Shu-ichiro Inutsuka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 794 ページ: 55
  • DOI: 10.1088/0004-637X/794/1/55
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] N-body Simulations of Terrestrial Planet Formation under the Influence of a Hot Jupiter (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Ogihara, Hiroshi Kobayashi & Shu-ichiro Inutsuka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 787 ページ: 172 (16pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/787/2/172
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] MHD Simulations of Global Accretion Disks with Vertical Magnetic Fields (2014)
  • 著者名/発表者名: Takeru K. Suzuki & Shu-ichiro Inutsuka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 784 ページ: 121 (30pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/784/2/121
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Radial Transport of Large-Scale Magnetic Fields in Accretion Disks. II. Relaxation to Steady States (2014)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi, T., Okuzumi, S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 797 ページ: 132(12pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/797/2/132
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Extrasolar Binary Planets I: Formation by tidal capture during planet-planet scattering (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Ochiai, M. Nagasawa, & S. Ida
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 790 ページ: 92:1-10
  • DOI: 10.1088/0004-637X/790/2/92
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multi-band, multi-epoch observations of the transiting warm Jupiter WASP-80b (2014)
  • 著者名/発表者名: FUKUI Akihiko, KAWASHIMA Yui, IKOMA Masahiro, NARITA Norio et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 790 ページ: 108
  • DOI: 10.1088/0004-637X/790/2/108
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Orbital Circularization of a Planet Accreting Disk Gas: The Formation of Distant Jupiters in Circular Orbits Based on a Core Accretion Model. (2014)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, A., Higuchi, A. & Ida, S.
  • 雑誌名: Astrophysical J. 巻: 792 ページ: article id 1
  • DOI: 2014, 10.1088/0004-637X/797/1/1
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On the filtering and processing of dust by planetesimals. I. Derivation of collision probabilities for non-drifting planetesimals (2014)
  • 著者名/発表者名: Guillot, T., Ida, S. & Ormel, C. W.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 572 ページ: id.A72
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201323021
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A dynamical study on the habitability of terrestrial exoplanets - II The super-Earth HD 40307g (2014)
  • 著者名/発表者名: Brasser, R., Ida, S. & Kokubo, E.
  • 雑誌名: MNRAS 巻: 440 ページ: 3685-3700
  • DOI: 10.1093/mnras/stu555
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pitch Angle of Galactic Spiral Arms (2014)
  • 著者名/発表者名: Michikoshi, S., Kokubo, E.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 787 ページ: 174(7pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/787/2/174
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ALMA Hints at the Presence of two Companions in the Disk around HD 100546 (2014)
  • 著者名/発表者名: Walsh, Juhz, Pinilla, Harsono, Mathews, Dent, Hogerheijde, Birnstiel, Meeus, Nomura, Aikawa, Millar, Sandell
  • 雑誌名: Astrophysical Journal Letter 巻: 791 ページ: L6(6pp)
  • DOI: 10.1088/2041-8205/791/1/L6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rotational Instability in the Outer Region of Protoplanetary Disks (2014)
  • 著者名/発表者名: Ono, Nomura, Takeuchi
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 787 ページ: 37(7pp)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/787/1/37
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Bright Galilean Satellites in Jovian Shadow: Light Scattering by Jovian Upper Atmosphere (2014)
  • 著者名/発表者名: Taishi Nakamoto
  • 学会等名: The 2014 German-Japanese meeting on Exo-Planets and their formation
  • 発表場所: ハイデルベルク，ドイツ
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-11-07
  • 招待講演
• [学会発表] Electric-field heating of plasmas and its effect on magnetorotational turbulence in protoplanetary disks (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Okuzumi
  • 学会等名: The 2014 German-Japanese meeting on Exo-Planets and their formation
  • 発表場所: ハイデルベルク，ドイツ
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-11-07
  • 招待講演
• [学会発表] アエンデ隕石中コンドリュールの3次元外形と内部組織の分析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中本泰史, 高橋栄一, 津田彩花, 西田圭佑, 奥井航, 横山哲也, 柳田泰宏, 奥村聡, 中村美千彦, 佐々木理
  • 学会等名: 日本惑星科学会秋季講演会
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] Three-Dimensional External Shape and Internal Structure of Chondrules in Allende CV3 Chondrite (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Nakamoto, E. Takahashi, A. Tsuda, K. Nishida, W. Okui, T. Yokoyama, Y. Yanagida, S. Okumura, M. Nakamura, and O. Sasaki
  • 学会等名: Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 発表場所: カサブランカ，モロッコ
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-12
• [学会発表] Exploring Planet Fromation by N-Body Simulations (2014)
  • 著者名/発表者名: Kokubo, E.
  • 学会等名: Stellar N-Body Dynamics
  • 発表場所: Sexten Center for Astrophysic, Italy
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-12
  • 招待講演
• [学会発表] Formation of the nebular-captured protoatmosphere (2014)
  • 著者名/発表者名: IKOMA Masahiro
  • 学会等名: Workshop on the Disk in Relation to the Formation of Planets and Their Protoatmospheres
  • 発表場所: 北京（中国）
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-28
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic Turbulence and Dust Evolution in Protoplanetary Disks (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Okuzumi
  • 学会等名: US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2014-05-20 – 2014-05-24
  • 招待講演
• [学会発表] 原始惑星系円盤における複雑な有機分子生成モデル (2014)
  • 著者名/発表者名: 野村英子
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 連合大会 2014年大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2014-04-28 – 2014-05-02
  • 招待講演
• [学会発表] Impacts of observed statistical properties on our understanding of planetary formation (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Ida
  • 学会等名: Exoplanetary Science
  • 発表場所: Quy Nhon, Vietnam
  • 年月日: 2014-04-17 – 2014-04-19
  • 招待講演
• [図書] 惑星形成の物理 (2015)
  • 著者名/発表者名: 井田茂、中本泰史
  • 総ページ数: 130
  • 出版者: 共立出版
• [備考] 東工大・井田研究室
  • URL: http://www.geo.titech.ac.jp/lab/ida/