ALMA高解像度観測による若い惑星形成円盤の物理・化学構造の解明

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23KJ0636
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 大和 義英 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2023-04-25 – 2025-03-31
• キーワード: 惑星系形成 / 星間化学 / 電波天文学

研究実績の概要

本研究の目的は、惑星形成の初期段階にある円盤における物理構造・化学組成を、大型電波干渉計ALMAによる高解像度・高感度観測により詳細に明らかにすることである。近年、惑星は従来思われていたよりも早い進化段階から形成され始めることが示唆されている。本研究では、そのような若い段階に着目し、惑星形成における物理・化学進化過程の全貌に迫ることを目指す。

まず、国際大型共同研究として実施中であるALMAの大型観測プロジェクトeDiskの枠組みで、原始星L1489 IRS周囲の円盤の高解像度観測データを用いて、円盤構造の特徴づけおよび円盤のケプラー回転を利用した中心星質量の正確な測定を行った。電波干渉計の生データの詳細な解析により円盤内にリング構造が存在することを明らかにし、測定された中心星質量の情報などと合わせて、円盤内で惑星形成が起こっている可能性を示した。加えて、急激なガスの降着による衝撃波などで存在量が増えると考えられている硫黄系分子ガスの高速度な回転構造を円盤中心付近で発見した。

また、一時的な質量降着により増光を示す若い原始星の周囲の円盤に着目し、大型有機分子ガスの組成の観測的特徴づけを行った。本研究では若い円盤において初めて、10種以上の多くの有機分子を検出し、それらの存在量が円盤を持たない原始星天体に比べて系統的に多いこと、および炭素同位体比（12C/13C）が星間空間に比べて著しく低いことを初めて明らかにした。これらより、若い円盤における化学反応が、星間空間から惑星系への化学組成の進化に重要な役割を果たしている可能性を示唆した。

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

まず、今年度は当初の目標であったeDiskプロジェクトにおける原始星L1489 IRSの観測データの解析・論文執筆を終え、論文として出版することができた。さらに、eDiskプロジェクト全体においても、電波観測画像の作成の一部に携わるなど貢献した。L1489 IRSの成果はeDiskプロジェクト内でも最初に論文が受理されたほか、大規模な国際会議でもeDiskの最初の成果として紹介された。さらに、別の原始星円盤において大型有機分子の検出、および炭素同位体比の制約という、若い円盤における化学組成に重要な示唆を与える興味深い成果を挙げ、こちらも論文として出版することができた。

今後の研究の推進方策

2024年度は、今年度後半に行った原始星円盤における大型有機分子の検出に関連して、他の円盤天体でもALMAの高感度観測によって同様の大型有機分子の検出が見られたため、この解析・論文執筆に集中的に取り組み、論文として出版することを目指す。また、同時に、これまでALMAやVLAに観測提案を行い獲得した、あるいは獲得予定のデータの解析を進め、円盤や原始星段階におけるガスの同位体比の測定や物理構造の解析を進め、論文として出版することを目指す。

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由は(1)例年2月に開催されている国際会議が今年度は例外的に次年度の7月開催になったことで当該旅費が未支出のまま終わったこと、および(2)支出予定であった論文投稿費が共同研究者の他の研究費で賄うこととなったこと、である。これらは2024年度に開催される国際会議の旅費、および論文投稿費として用いる予定である。

研究成果

• [国際共同研究] National Radio Astronomy Observatory/University of Virginia/University of Illinois(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: National Radio Astronomy Observatory/University of Virginia/University of Illinois
• [国際共同研究] 台湾中央研究院/国立清華大学(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 台湾中央研究院/国立清華大学
• [国際共同研究] KASI/Seoul National University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KASI/Seoul National University
• [国際共同研究] University of Copenhagen(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: University of Copenhagen
• [雑誌論文] Chemistry of Complex Organic Molecules in the V883 Ori Disk Revealed by ALMA Band 3 Observations (2024)
  • 著者名/発表者名: Yamato Yoshihide、Notsu Shota、Aikawa Yuri、Okoda Yuki、Nomura Hideko、Sakai Nami
  • 雑誌名: The Astronomical Journal 巻: 167 ページ: 66～66
  • DOI: 10.3847/1538-3881/ad11d9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). XIV. Flared Dust Distribution and Viscous Accretion Heating of the Disk around R CrA IRS 7B-a (2024)
  • 著者名/発表者名: Takakuwa Shigehisa、Saigo Kazuya、Kido Miyu、...、Yamato Yoshihide、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 964 ページ: 24～24
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad1f57
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 小質量星周囲の円盤における化学 (2024)
  • 著者名/発表者名: 相川祐理、大和義英、Gianni Cataldi、野津翔太
  • 雑誌名: 天文月報 巻: 117 ページ: 242~249
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). I. Overview of the Program and First Results (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohashi Nagayoshi, Tobin John J., Jorgensen Jes K, Takakuwa Shigehisa, Sheehan Patrick, Aikawa Yuri, Li Zhi-Yun, Looney Leslie W., Williams Jonathan P., Aso Yusuke, Sharma Rajeeb, Sai (Insa Choi) Jinshi, Yamato Yoshihide, et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 951 ページ: 8～8
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acd384
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). II. Limited Dust Settling and Prominent Snow Surfaces in the Edge-on Class I Disk IRAS 04302+2247 (2023)
  • 著者名/発表者名: Lin Zhe-Yu Daniel、Li Zhi-Yun、Tobin John J.、Ohashi Nagayoshi、... Yamato Yoshihide、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 951 ページ: 9～9
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acd5c9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). IV. The Ringed and Warped Structure of the Disk around the Class I Protostar L1489 IRS (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamato Yoshihide、Aikawa Yuri、Ohashi Nagayoshi、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 951 ページ: 11～11
  • DOI: 10.3847/1538-4357/accd71
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). VII. Keplerian Disk, Disk Substructure, and Accretion Streamers in the Class 0 Protostar IRAS 16544?1604 in CB 68 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kido Miyu、Takakuwa Shigehisa、...、Yamato Yoshihide、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 953 ページ: 190～190
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acdd7a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). VIII. A Small Protostellar Disk around the Extremely Low Mass and Young Class 0 Protostar IRAS 15398?3359 (2023)
  • 著者名/発表者名: Thieme Travis J.、Lai Shih-Ping、Ohashi Nagayoshi、Tobin John J.、J?rgensen Jes K.、(Insa Choi) Jinshi Sai、Aso Yusuke、Williams Jonathan P.、Yamato Yoshihide、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 958 ページ: 60～60
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad003a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). XII. Accretion Streamers, Protoplanetary Disk, and Outflow in the Class I Source Oph IRS 63 (2023)
  • 著者名/発表者名: Flores Christian、Ohashi Nagayoshi、Tobin John J.、J?rgensen Jes K.、Takakuwa Shigehisa、Li Zhi-Yun、Lin Zhe-Yu Daniel、van ’t Hoff Merel L. R.、Plunkett Adele L.、Yamato Yoshihide、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 958 ページ: 98～98
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acf7c1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ALMA Observations of Complex Organic Molecules in the Disk around the Outbursting Star V883 Ori (2024)
  • 著者名/発表者名: 大和 義英
  • 学会等名: 宇宙電波懇談会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ALMA Observations of the Young Bursting Star V883 Ori: Chemistry of Complex Organic Molecules in the Protoplanetary Disk (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshihide Yamato, Shota Notsu, Yuri Aikawa, Yuki Okoda, Hideko Nomura, and Nami Sakai
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 原始惑星系円盤 MWC 480 におけるジメチルエーテルの検出 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大和 義英, 相川 祐理, 野津 翔太, 古家健次, Gianni Cataldi, Viviana V. Guzman, Ian Czekala, Jane Huang, Charles J. Law, Karin I. Oberg, Chunhua Qi, Romane Le Gal, Richard Teague
  • 学会等名: 日本天文学会2023年秋季年会
• [学会発表] ALMA Observations of Complex Organic Molecules in Protoplanetary Disks (2023)
  • 著者名/発表者名: 大和 義英
  • 学会等名: Astrochemistry Get-together Workshop
  • 招待講演
• [学会発表] Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk): The Ringed and Warped Structure of the Disk around the Class I Protostar L1489 IRS (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshihide Yamato, Yuri Aikawa, the eDisk collaboration
  • 学会等名: Protostars and Planets VII
  • 国際学会
• [備考] Early Planet Formation in Embedded Disks
  • URL: https://almascience.nao.ac.jp/alma-data/lp/edisk
• [備考] Early Planet Formation in Embedded Disks
  • URL: http://group.asiaa.sinica.edu.tw/almaLP_edisk/
• [備考] 惑星はいつ誕生するのか～最初期段階を捉える
  • URL: https://alma-telescope.jp/news/planetformation-202306?doing_wp_cron=1715557412.9414010047912597656250