A new scenario of dust growth in protoplanetary disks explored through large-scale direct numerical simulations of turbulence

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原始惑星系円盤のダスト成長の新シナリオ構築のため乱流の大規模直接数値計算（DNS）を活用した研究を進めている。本研究では高レイノルズ数の乱流 (格子点数4096の3乗、Re=36500) のDNSにおいて、膨大な数（2048の3乗個×慣性の大きさの異なる8種類）の慣性粒子の運動を追跡し、渦度の強さと慣性粒子の付着率に負の相関があることを確認し、渦から弾き出された場所でダストの低速衝突が起きうることを示唆する結果を得た。衝突相対速度が大きいため付着率が小さいと思われていたサイズの大きい粒子ほど、この相関が特に強いことから慣性の大きい粒子が渦から弾き出されて集中する非アクティブ領域においてダストが寡占的に成長する可能性が示唆された。そこで、付着成長が進む領域において慣性粒子の運動を解析した結果、乱流による慣性粒子のクラスタリング効果によって、粒子密度が最大で平均の数十倍になり、低速での衝突数が多い領域が存在することが分かった。また、高レイノルズ数乱流では渦クラスタ構造が形成され、その内外での渦度の強さによる領域の二極化が進んでいることを確認した。そして、高レイノルズ数乱流の渦度の小さい領域における粒子の運動では特に系全体の付着率に比べ、かなり高い付着率が得られること、および、このような領域では、付着成長して大きくなった粒子の増加率が高く、粒子が寡占的に成長する可能性が高いことが分かった。なお、乱流による慣性粒子のクラスタリング効果で渦度の小さい領域に一旦集中した粒子はその後の相対拡散が、平均的な相対拡散より抑制されることを示す結果を乱流DNSによる粒子の時系列データの解析から得ている。