動的恒星系渦状腕が駆動する星間媒質の相転移過程における磁場の役割

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K03929
• 研究機関: 国立天文台
• 研究代表者: 岩崎 一成 国立天文台, 天文シミュレーションプロジェクト, 助教 (50750379)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 分子雲 / 星間媒質 / 重力多体系

研究実績の概要

本年度はまず銀河円盤での星間媒質進化の土台となる分子雲形成を，化学反応と熱過程・輻射輸送・重力といった素過程を考慮した高解像度流体シミュレーションをもちいて調べた。私が過去おこなった分子雲形成研究(Iwasaki, Tomida, Inoue, and Inutsuka 2019)に、自己重力を加えた。さらに化学種を９種から１５種に増やし，化学反応(特に一酸化炭素形成)を精密化した。計算の結果，原子ガスから分子雲への相転移過程において，原子ガスの集積方向と磁場のなす角が，分子雲形成に重要な役割を果たすことがわかった。磁場に対して角度をもって原子ガスが集積した場合，自己重力の作用で磁場に沿ってガスが集まり，コヒーレントなフィラメント状の構造が形成される。一方，磁場にほぼ沿って原子ガスが集積した場合，乱流の卓越した分子雲が形成され，ランダム磁場により小さなフィラメントが形成されることがわかった。またこれらの分子雲の性質の違いは高密度なクランプの物理的性質に引き継がれることが分かった。磁場に対して角度をもった集積の場合の方が，沿って集積した場合より，磁場が卓越した分子雲クランプが形成される。さらに分子雲クランプの安定性において重要な，重力エネルギーと内部乱流エネルギー・磁気エネルギーのあいだにある統計的関係が成り立つことを見出した。この結果は星形成の初期条件を理解するうえで重要な知見となる。本計算で詳細な化学反応を追跡していることを生かし，分子輝線と磁場による偏光の観測的可視化による観測と理論の比較もあわせて進めている。
銀河大域計算で用いる重力多体計算を公開コードAthena++へ実装をおこなった。Athena++の粒子モジュールを開発しているアメリカのネバダ大学の研究チームとの共同研究において，すでに重力多体系の実装は終えており，現在現実的な状況でのテストをおこなっている。

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

自己重力と化学反応を精密化した分子雲形成シミュレーションが順調に進んでいる。また，重力多体系のAthena++への実装もネバダ大学との共同研究によって順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

局所分子雲形成シミュレーションのデータ解析を進め，見出した分子雲クランプの安定性において重要な，重力エネルギーと内部乱流エネルギー・磁気エネルギーのあいだにある統計的関係について解析的モデルを構築する。重力エネルギーと磁気エネルギーの間の関係についてはすでに解析的表式が得られているので，それを乱流エネルギーにも併せて拡張する。
Athena++における重力多体系の実装を完了させ，銀河大域シミュレーションに取り掛かる。まず星粒子を考慮せずに，多くの研究で採用している定常な渦状腕ポテンシャルを仮定して，磁場を考慮した銀河大域計算をおこなう。そのうえで恒星粒子のみの銀河円盤のシミュレーションを成功させ，恒星多体系が駆動する渦状腕を考慮した銀河大域シミュレーションに取り掛かる。

研究成果

• [国際共同研究] ネバダ大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ネバダ大学
• [雑誌論文] JCMT BISTRO Survey: Magnetic Fields within the Hub-filament Structure in IC 5146 (2019)
  • 著者名/発表者名: Wang, J.-W.; Lai, S.-P.; Eswaraiah, C.; Pattle, K.; Di Francesco, J.; Johnstone, D.; Koch, P. M.; Liu, T.; Tamura, M.; Furuya, R. S.; Onaka, T.; Ward-Thompson, D.; Soam, A.; Kim, K.-T.; Lee, C. W.; Lee, C.-F.; Mairs, S.; Iwasaki, K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 876 ページ: 42～42
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab13a2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The JCMT BISTRO Survey: The Magnetic Field of the Barnard 1 Star-forming Region (2019)
  • 著者名/発表者名: Coude;, S.; Bastien, P.; Houde, M.; Sadavoy, S.; Friesen, R.; Di Francesco, J.; Johnstone, D.; Mairs, S.; Hasegawa, T.; Kwon, W.; Lai, S.-P.; Qiu, K.; Ward-Thompson, D.; Berry, D.; Chen, M. C.-Y.; Fiege, J.; Franzmann, E.; Hatchell, J.; Lacaille, K.; Iwasaki, K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 877 ページ: 88～88
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab1b23
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The JCMT BISTRO Survey: The Magnetic Field in the Starless Core ρ Ophiuchus C (2019)
  • 著者名/発表者名: J.; Qiu, K.; Berry, D.; Di Francesco, J.; Bastien, P.; Koch, P. M.; Furuya, R. S.; Kim, K.-T.; Coude;, S.; Lee, C. W.; Soam, A.; Eswaraiah, C.; Li, D.; Hwang, J.; Lyo, A. -R.; Pattle, K.; Hasegawa, T.; Kwon, W.; Lai, S.-P.; Iwasaki, K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 877 ページ: 43～43
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab0958
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] SPICAで探る分子雲の多相構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩崎一成
  • 学会等名: 日本天文学会2020年春季年会
• [学会発表] The formation of molecular clouds by compression of two-phase atomic gases (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩崎一成
  • 学会等名: 16th Rencontres du Vietnam: Magnetic Field in the Universe 7
  • 国際学会
• [学会発表] 分子雲形成シミュレーション：自己重力の効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岩崎一成
  • 学会等名: 日本天文学会2019年秋季年会、熊本大学
• [備考]
  • URL: https://www.cfca.nao.ac.jp/~kiwasaki/study_gyouseki.html