2015 年度実施状況報告書

ダストは惑星を動かすか

研究課題

研究課題/領域番号	25800250
研究機関	早稲田大学
研究代表者	山田耕早稲田大学, 政治経済学術院, 准教授 (60424793)
研究期間 (年度)	2013-04-01 – 2017-03-31
キーワード	惑星移動 / トルク / 共回転 / ダスト / 原始惑星系円盤 / 地球型惑星 / 惑星系
研究実績の概要	惑星質量が地球質量よりも大きくなると、惑星は周りにある原始惑星系円盤ガスと重力的に相互作用して、密度波を励起する。この密度波の構造は惑星を挟んで非対称であるため、その非対称性によって生じた重力は中心星重力の下で公転していた惑星軌道に擾乱を与える。さらに、惑星前面と後面の惑星の公転周期とほぼ同じ周期をもつガスも惑星接近時に重力相互作用を起こす。これらの重力は惑星にトルクを発生させて、結果として惑星の軌道長半径が変化する。これは地球型惑星がスノーラインを越えて移動した可能性を示唆しており、惑星それだけでなく惑星系形成全体に関わる重要なプロセスである。先行研究は、この重力相互作用によって円盤寿命よりもかなり短い時間間隔で惑星の軌道長半径が小さくなることを指摘していた。しかし、近年流体計算の精密化や理論的な発展により、惑星移動が内向き一辺倒ではなく、逆向きになるような場合もあることがわかってきた。このような状態を実現するパラメータ空間は非常に狭い領域であり、大部分は基本的に内向きの惑星移動である。そのため、惑星の移動パスは基本的に中心星に落ちるというようなものである。これは、我々太陽系および系外惑星系で観測されている様々な軌道長半径に惑星が存在することと矛盾する。ゆえに、惑星移動を止める機構を色々と探し出すことは惑星系の多様性を説明することにおいて重要である。本研究は、円盤外側から降ってくるダストが惑星移動にどのような影響を与えるのかに注目して行っている。昨年度および今年度は数値計算を完成させ、26年度から少しずつガスダスト比やダスト量、惑星質量、輻射の効果などを入れた計算を行ってきたが、一部でインプットパラメータの不備が判明したためやり直しの計算を今年度後半から開始した。今のところダスト量やダストの大きさが増加すると、惑星移動が外向きになることがわかった。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 4: 遅れている理由当初予定したパラメータサーベイはおおよそ終了した。計算は問題なく進んでいるが、申請者の研究環境が大幅に変化したため、それらを解析する所で滞っている。惑星移動は、ガスが惑星にかけるトルク(ガストルクという)とダストが惑星にかけるトルク(ダストトルクという)の和によって決まる。しかし、ここでガスとダストの相互作用によって、ガスの密度分布が変わる。そのため、ダストなしの場合に比べて、ガストルク量が変わる。現在、ガストルクの変化がダストの存在によってどのように影響されるのかを明示的に説明した研究はない。昨年度の速報的な解析では、ダストサイズやガスダスト比が増加すると、共回転トルク(惑星とほぼ同じ周期をもつガスとの重力相互作用)が大きくなることがわかっていた。その後の解析によって、密度波から惑星にかかる片側トルク(絶対値)はダストなしの場合と比較して大きくなっており、ピーク点が惑星側に寄っていることがわかった。一方で、それぞれの片側トルクは、符号は逆でほぼ同じ値を示すようになり、結果として打ち消し合って惑星に大きな擾乱を与えなくなっている。この効果は、共回転トルクの重要性を高める結果となる。しかし、なぜダストがあると、惑星周りの密度波の構造が対称的になるのかはよくわからない。一つの仮説として、密度波は周りよりもガス密度が高いため、ダストが密度波にトラップされやすくなる。この時ダストとガスとの間の運動量交換により、サブケプラーで回っていたガスがケプラー速度に近づいた可能性がある。ケプラー円盤の解析では、トルクを惑星に与える点が惑星側にあることは指摘されている。したがって、ダストが入ったことでガスの公転速度が上がり、片側トルクのピーク点がずれた可能性がある。しかし、対称性が良くなったこと、片側トルクが大きくなったことはまだ十分に解明できていない。
今後の研究の推進方策	解析を含めた研究の進み具合は遅れているが、研究において大きな問題は起きていない。進捗具合で説明したように、ダスト入りガス円盤での密度波の構造について解析を進めてきたいと考えている。その際、補足的な計算は必要であろう。また、平成27年度にできなかった次の点をきっちりまとめていきたい：(昨年度の報告書から一部抜粋)輻射の効果を入れた場合の計算をある程度進め、ない場合とどの程度ダストの影響力が異なるのかを調査する。計算に関しては、ダストサイズとガスダスト比のそれなりに広範なパラメータサーベイは終わった。今後それらを比較し、傾向を確かめ、その差の原因を議論していく。さらに、当初計画していた解析解の導出は、非線型的な振舞いが効いてくるため線型解析は難しいと判断した。数値計算の結果から半経験的に共回転トルクの変化をまとめ、円盤の熱的条件を変化した下での惑星移動に対するダストの影響を調べた論文を発表したい。
次年度使用額が生じた理由	申請者の職種が今年度変わり、学務業務が大幅に増えた。一年目ということで、講義の準備に予想以上の時間がかかった。そのため、計算結果を吟味する十分な時間を確保することができなかった。このような状況であったため、学会での発表を見送り、旅費の支出がなかった。それが、当初の計画案と実際の使用額との間にできた相違の一番大きな理由である。
次年度使用額の使用計画	コンピュータが一台故障してしまったため、新しいのを購入しようと考えている。計算はほぼ終わっているが、補足的な計算は行う必要があるため、コンピュータはどうしても必要である。また、計算の解析も進めて、学会発表などを行っていきたいと考えている。その他として、数テラバイトあるデータを整理するために、研究補助業務従事者を雇う。これらが28年度の大きな支出となるだろう。