多波長高解像度観測による原始惑星系円盤の解剖と惑星系形成過程の解明

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01103
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 百瀬 宗武 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (10323205)
• 研究分担者: 武藤 恭之 工学院大学, 教育推進機構(公私立大学の部局等), 准教授 (20633803) ; 本田 充彦 久留米大学, 医学部, 助教 (40449369) ; 田中 秀和 東北大学, 理学研究科, 教授 (00282814) ; 小林 浩 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (40422761)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 電波天文学 / 光学赤外線天文学 / 理論天文学 / 惑星起源・進化 / 原始惑星系円盤

研究実績の概要

原始惑星系円盤におけるダスト分布の理論的な研究では，ダスト・ガス間の相互作用の影響によって幅の広いダストリング構造が形成され，TRAPPIST-1 のような複数の低質量な惑星からなる系が形成される可能性を示した。また，原始惑星系円盤中での天体の衝突進化による惑星形成を調べ，それを論文にまとめた。これらの研究の発展として，ダストの直接合体成長によって惑星が形成される過程に関する理論研究にも着手した。
次に電波領域における原始惑星系円盤の詳細構造に対する観測研究では，中心に穴を持つ遷移円盤の多様な姿を見出した他，ダスト濃集度を各所のガス量の関数として定量的に導くことにも成功した。特におうし座DM星に付随する遷移円盤の高解像度観測では，現在の太陽系配置を思い起こさせる円盤構造を明らかにし，記者発表を行って一般市民からも大きな注目を浴びた。また，進化の後期段階に当たるデブリ円盤での電波観測と比較するため，円盤ガス量を一酸化炭素と炭素原子量から推定する理論研究を行い，その結果を学会にて発表した。
赤外線観測と理論との協調に関しては，まず，原始惑星系円盤内で生成されると予測されている高空隙率ダスト集合体に対する，広い波長領域における光学モデルを完成させた。そしてこのモデルを円盤の観測結果に適用すると，近赤外線領域における光度の波長依存性が多くの円盤で弱いという事実が高空隙率ダスト集合体で自然に説明されることがわかった。一方，観測面では，新開発・評価を行ってきたSubaru/IRCSのL-band偏光分光観測機能を用いて，Herbig Fe型星 HD142527 原始惑星系円盤の空間分解観測を行った。その結果，円盤散乱光のL-band偏光分光スペクトルを初めて得て，水氷含む数ミクロン以上のサイズのダストが表層に存在しているという先行研究と矛盾しない結果が取得された。

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

ALMAを用いた高解像度観測では，我々のチームを中心メンバーとする国際共同研究チームによって提案された遷移円盤のラージプロジェクトはCycle 6では採択されなかった。しかしその一方で，通常プロジェクトとして採択されていた高解像度観測よる円盤詳細構造の解明と，偏光観測による円盤中ダストのサイズ分布に関する研究の両面で成果が得られ，結果的にはほぼ想定通りに進捗した。また，円盤内の水氷の分布を捉えるために必要なSubaru/IRCS熱赤外偏光機能についても順調に予定性能を発揮し，最初に観測した天体において円盤起源の氷フィーチャーを捉えた。これらは予定通りの進捗であり，さらに今後の他天体への展開が可能な準備が整ったとも位置付けられる。
観測面の進捗とともに，理論的研究も順調に進捗した。円盤内で作られた惑星によって形作られるギャップについて，中心星が超低質量な場合を議論した結果，最近大きな話題を呼んだTRAPPIST-1での惑星系の特徴をよく再現することが示された。また，ダストの成長過程や複雑な形状をしたダストの光学特性といった小スケールでの物性に関わるテーマと，円盤ガス散逸やガス化学進化という大スケールに関するテーマの両面で研究が順調に進展した。いずれも，観測と比較可能な予想を提示しており，今後，観測との共同がさらに進む素地が整っている。
以上をまとめると，観測と理論を両輪とする惑星形成過程の理解は順調に深化しており，当初の予定に沿って研究が展開している状況にある。すなわち，「おおむね順調に進展している」と評価できる。

今後の研究の推進方策

ALMAを用いた円盤詳細観測で得られたガス輝線とダスト連続波のデータ解析により，ガスとダストの柱密度分布，ダスト放射率の波長依存性の空間分布，粒子サイズごとでの空間分布の違いを明らかにする。また，ミリ波における偏光撮像観測により，円盤におけるダストや磁場の性質をさらに明らかにする。特に後者については，最近傍の原始惑星系円盤である海へび座TW星の偏光データがすでに一部取得されており，その解析を進める。また他天体のALMA観測提案を行って対象天体数を増やし，より一般的な描像の獲得を目指す。
一方，赤外線観測では，新規に立ち上げたSubaru/IRCS熱赤外偏光機能の性能評価を進めつつ，並行して近傍の原始惑星系円盤や星形成領域の散乱光の観測を進める。通常の分光に加えて直線偏光の情報も得られるので，水氷ダストのサイズ・存在度をより正確に導出する。この観測結果を氷ダストの成長モデルや，円盤表層における水氷の安定性についての各種理論モデル計算と比較し，モデルに制限を与える。
以上の観測と連動させながら，理論面では第一に，ダストサイズから微惑星，さらに惑星サイズまでの衝突進化シミュレーションを行う 。またガス進化についても，輻射輸送を考慮した化学平衡計算も行いながら調査していく。これらの結果をもとに，観測では捉えられない微惑星以上のサイズの天体や水素分子などの情報をALMAによる円盤観測から引き出す理論モデルを構築する。第二にダスト成長過程に関する理論研究もさらに進める。中程度の充填率をもつダストの形成には，ダストに非常に小さなダストが降り積もるダスト成長モードが適している。このような成長モードの実現可能性やこのモードにおけるダスト衝突圧縮度合について調べる。また中程度の充填率をもつダストを自己重力で密になった大きな天体の衝突破片として生成する方法の可能性についても検討する。

研究成果

• [雑誌論文] The Synthetic ALMA Multiband Analysis of the Dust Properties of the TW Hya Protoplanetary Disk (2019)
  • 著者名/発表者名: Kim, S., Nomura, H., Tsukagoshi, T., Kawabe, R., & Muto, T.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 872 ページ: 179
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab0304
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shock-generating Planetesimals Perturbed by a Giant Planet in a Gas Disk (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagasawa, M., Tanaka, K. K., Tanaka, H., Nomura, H., Nakamoto, T., & Miura, H.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 871 ページ: 110
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaf795
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Flared Gas Structure of the Transitional Disk around Sz 91 (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsukagoshi, T., Momose, M., Kitamura, Y., Saito, M., Kawabe, R., Andrews, S., Wilner, D., Kudo, T., Hashimoto, J., Ohashi, N., & Tamura, M.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 871 ページ: 5
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaf4f1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Imaging the disc rim and a moving close-in companion candidate in the pre-transitional disc of V1247 Orionis (2019)
  • 著者名/発表者名: Willson, M., Kraus, S., Kluska, J., Monnier, J. D., Cure, M., Sitko, M., Aarnio, A., Ireland, M. J., Rizzuto, A., Hone, E., Kreplin, A., Andrews, S., Calvet, N., Espaillat, C., Fukagawa, M., Harries, T. J., Hinkley, S., Kanaan, S., Muto, T., & Wilner, D. J.
  • 雑誌名: Astronomy and Astrophysics 巻: 621 ページ: A7
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201630215
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Toward understanding the origin of asteroid geometries. Variety in shapes produced by equal-mass impacts (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugiura, K., Kobayashi, H., & Inutsuka, S.
  • 雑誌名: Astronomy and Astrophysics 巻: 620 ページ: A167
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833227
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impacts of Dust Feedback on a Dust Ring Induced by a Planet in a Protoplanetary Disk (2018)
  • 著者名/発表者名: Kanagawa, K. D., Muto, T., Okuzumi, S., Tanigawa, T., Taki, T., & Shibaike, Y.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 868 ページ: 48
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aae837
  • 査読あり
• [雑誌論文] Collisional disruption of planetesimals in the gravity regime with iSALE code: Comparison with SPH code for purely hydrodynamic bodies (2018)
  • 著者名/発表者名: Suetsugu, R., Tanaka, H., Kobayashi, H., & Genda, H.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 314 ページ: 121
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2018.05.027
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mid-infrared Spectroscopic Observations of Comet 17P/Holmes Immediately After Its Great Outburst in 2007 October (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinnaka, Y., Ootsubo, T., Kawakita, H., Yamaguchi, M., Honda, M., & Watanabe, J.
  • 雑誌名: The Astronomical Journal 巻: 156 ページ: 242
  • DOI: 10.3847/1538-3881/aadfea
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Spatially Resolved au-scale Inner Disk around DM Tau (2018)
  • 著者名/発表者名: Kudo, T., Hashimoto, J., Muto, T., Liu, H. B., Dong, R., Hasegawa, Y., Tsukagoshi, T., & Konishi, M.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 868 ページ: L5
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aaeb1c
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ALMA Reveals a Misaligned Inner Gas Disk inside the Large Cavity of a Transitional Disk (2018)
  • 著者名/発表者名: Mayama, S., Akiyama, E., Pani'c, O., Miley, J., Tsukagoshi, T., Muto, T., Dong, R., de Leon, J., Mizuki, T., Oh, D., Hashimoto, J., Sai, J., Currie, T., Takami, M., Grady, C. A., Hayashi, M., Tamura, M., & Inutsuka, S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 868 ページ: L3
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aae88b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structure Formation in a Young Protoplanetary Disk by a Magnetic Disk Wind (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, S. Z., & Muto, T.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 865 ページ: 102
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aadda0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parametric Study of the Rossby Wave Instability in a Two-dimensional Barotropic Disk. II. Nonlinear Calculations (2018)
  • 著者名/発表者名: Ono, T., Muto, T., Tomida, K., & Zhu, Z.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 864 ページ: 79
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad54d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Trapping Low-mass Planets at the Inner Edge of the Protostellar Disk (2018)
  • 著者名/発表者名: Brasser, R., Matsumura, S., Muto, T., & Ida, S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 864 ページ: L8
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aada18
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Slowing Down Type II Migration of Gas Giants to Match Observational Data (2018)
  • 著者名/発表者名: Ida, S., Tanaka, H., Johansen, A., Kanagawa, K. D., & Tanigawa, T.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 864 ページ: 77
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad69c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two Different Grain Size Distributions within the Protoplanetary Disk around HD 142527 Revealed by ALMA Polarization Observation (2018)
  • 著者名/発表者名: Ohashi, S., Kataoka, A., Nagai, H., Momose, M., Muto, T., Hanawa, T., Fukagawa, M., Tsukagoshi, T., Murakawa, K., & Shibai, H.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 864 ページ: 81
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad632
  • 査読あり
• [雑誌論文] Subaru/HiCIAO HK $_{s}$ Imaging of LKHa 330: Multi-band Detection of the Gap and Spiral-like Structures (2018)
  • 著者名/発表者名: Uyama, T., Hashimoto, J., Muto, T., et al.
  • 雑誌名: The Astronomical Journal 巻: 156 ページ: 63
  • DOI: 10.3847/1538-3881/aacbd1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] From Planetesimal to Planet in Turbulent Disks. II. Formation of Gas Giant Planets (2018)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi, H., & Tanaka, H.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 862 ページ: 127
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aacdf5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Radial Migration of Gap-opening Planets in Protoplanetary Disks. I. The Case of a Single Planet (2018)
  • 著者名/発表者名: Kanagawa, K. D., Tanaka, H., & Szuszkiewicz, E.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 861 ページ: 140
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aac8d9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-contrast Polarimetry Observation of the T Tau Circumstellar Environment (2018)
  • 著者名/発表者名: Yang, Y., Mayama, S., Hayashi, S. S., Hashimoto, J., Rafikov, R., Akiyama, E., Currie, T., Janson, M., Momose, M., et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 861 ページ: 133
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aac6c8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Light Scattering by Fractal Dust Aggregates. II. Opacity and Asymmetry Parameter (2018)
  • 著者名/発表者名: Tazaki, R., & Tanaka, H.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 860 ページ: 79
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aac32d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mid-infrared multi-wavelength imaging of Ophiuchus IRS 48 transitional disk (2018)
  • 著者名/発表者名: Honda, M., Okada, K., Miyata, T., Mulders, G. D., Swearingen, J. R., Kamizuka, T., Ohsawa, R., Fujiyoshi, T., Fujiwara, H., Uchiyama, M., Yamashita, T., & Onaka, T.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: 44
  • DOI: 10.1093/pasj/psy033
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Eccentric Cavity, Triple Rings, Two-armed Spirals, and Double Clumps of the MWC 758 Disk (2018)
  • 著者名/発表者名: Dong, R., Liu, S. Y., Eisner, J., Andrews, S., Fung, J., Zhu, Z., Chiang, E., Hashimoto, J., Liu, H. B., Casassus, S., Esposito, T., Hasegawa, Y., Muto, T., Pavlyuchenkov, Y., Wilner, D., Akiyama, E., Tamura, M., & Wisniewski, J.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 860 ページ: 124
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aac6cb
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Differences in the Gas and Dust Distribution in the Transitional Disk of a Sun-like Young Star, PDS 70 (2018)
  • 著者名/発表者名: Long, Z. C., Akiyama, E., Sitko, M., Fernandes, R. B., Assani, K., Grady, C. A., Cure, M., Danchi, W. C., Dong, R., Fukagawa, M., Hasegawa, Y., Hashimoto, J., Henning, T., Inutsuka, S.-I., Kraus, S., Kwon, J., Lisse, C. M., Baobabu Liu, H., Mayama, S., Muto, T., et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 858 ページ: 112
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaba7c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Star formation induced by cloud-cloud collisions and galactic giant molecular cloud evolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi, M. I. N., Kobayashi, H., Inutsuka, S., & Fukui, Y.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: S59
  • DOI: 10.1093/pasj/psy018
  • 査読あり
• [学会発表] Herbig Fe 星HD142527 円盤散乱光の3 ミクロン帯偏光分光観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 本田充彦，村川幸史，寺田宏，工藤智幸，服部尭，橋本淳，田村元秀，渡辺誠
  • 学会等名: 日本天文学会2019年春季年会
• [学会発表] Herbig Fe星HD142527円盤の３ミクロン帯散乱光の輻射輸送計算 (2019)
  • 著者名/発表者名: 村川幸史、本田充彦
  • 学会等名: 日本天文学会2019年春季年会
• [学会発表] Herbig Fe星 HD142527 円盤散乱光の3ミクロン帯偏光分光観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 本田充彦
  • 学会等名: 第35回 Grain Formation Workshop
• [学会発表] 原始惑星系円盤の構造と惑星形成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 武藤恭之
  • 学会等名: 日本天文学会2019年春季年会 研究奨励賞受賞講演
  • 招待講演
• [学会発表] Science Cases of Protoplanetary and Protostellar Disks with NOEMA (2018)
  • 著者名/発表者名: Munetake MOMOSE
  • 学会等名: NOEMA/30m Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 系外惑星・円盤研究の未来 (2018)
  • 著者名/発表者名: 百瀬宗武
  • 学会等名: 宇宙電波懇談シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] MICHI: a Thermal-Infrared Instrument for the TMT: Four Key Science Drivers (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiko Honda, Chris Packham
  • 学会等名: TMT Science Forum
  • 国際学会
• [学会発表] Introduction of Subaru/COMICS (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiko Honda
  • 学会等名: The Next Generation of Thermal-IR Astronomy: How can we Reach the Photon Noise Limit?
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] TMT中間赤外線観測装置MICHI提案の現状報告 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本田充彦
  • 学会等名: 2018年度光赤天連シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Subaru/IRCS 熱赤外偏光観測機能の立ち上げ2：偏光分光試験観測結果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本田充彦
  • 学会等名: 日本天文学会2018年秋季年会
• [学会発表] MICHI: a Thermal-Infrared Instrument for the TMT (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiko Honda
  • 学会等名: IAUS 347 Early Science with ELTs (EASE)2018
  • 国際学会
• [学会発表] Protoplanetary disk science with Subaru/COMICS and TMT/MICHI (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiko Honda
  • 学会等名: NAOC-MICHI Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Formation of Planets from Collisional Growth in Turbulent Disks (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: FROM RRESTELLAR CORES TO SOLAR NEBULAE
  • 国際学会
• [学会発表] 強い乱流が作る巨大惑星 : 巨大ガス 惑星形成のための条件 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 日本天文学会2018年秋季年会
• [学会発表] Formation of Planets from Collisional Growth in Turbulent Disks (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kobayashi
  • 学会等名: Japanese-German meeting on Exoplanets and Planet Formation 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 衝突・破壊を考慮した惑星形成:惑星成と乱流の強さ (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 2018年日本惑星科学会秋季講演会
• [学会発表] デブリ円盤と惑星形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: ALMAワークショップ:円盤から太陽系へ
• [学会発表] 小惑星帯の衝突史 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 平山族発見から100年 ― 太陽系における天体衝突・進化過程の理解の現状
  • 招待講演
• [学会発表] デブリ円盤のガスの起源と炭素ガス観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林浩、岩崎一成
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] Collisional History in Main Belt (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林浩
  • 学会等名: 天体の衝突物理の解明(XIV)
• [学会発表] Investigating the gas-to-dust ratio in the protoplanetary disk of HD 142527 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kang-Lou Soon, Munetake Momose, Takayuki Muto, Takashi Tsukagoshi, Akimasa Kataoka, Tomoyuki Hanawa, Misato Fukagawa, Kazuya Saigo, Hiroshi Shibai
  • 学会等名: 日本天文学会2018年秋季年会
• [学会発表] ALMA Band 3 continuum and line observations towards the protoplanetary disk of HD 142527 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kang-Lou Soon, Munetake Momose, Takayuki Muto, Takashi Tsukagoshi, Akimasa Kataoka, Tomoyuki Hanawa, Misato Fukagawa, Kazuya Saigo, Hiroshi Shibai
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] Formation of Ice-mantled Grains in Cloud Cores and Its Effect on Interstellar Extinction Curves (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: Japanese-German meeting on Exoplanets and Planet Formation 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Detecting Non-Axisymmetric Structures of Protoplanetary Disks from Low-Resolution Radio Interferometric Data (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Muto
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] Small Inner Ring Structure in the DM Tau Protoplanetary Disk System Revealed by ALMA (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Muto
  • 学会等名: Japanese-German Meeting on Exoplanets and Planet Formation 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Physical Mechanisms of Rossby Wave Instability and its Non-linear Outcome (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Muto
  • 学会等名: Workshop for Protoplanetary Disks and Exoplanets
  • 国際学会
• [学会発表] 原始惑星系円盤の力学を探る 数値シミュレーションと 高解像度観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 武藤恭之
  • 学会等名: ポスト「京」萌芽的課題・計算惑星 第3回 公開シンポジウム
  • 招待講演
• [備考] 地球型惑星の形成現場を描き出す～アルマ望遠鏡で捉えた原始ミニ太陽系～
  • URL: https://alma-telescope.jp/news/press/dmtau-201903