冷却駆動乱流とダストの共進化に着目した新しい氷・岩石微惑星形成モデルの構築

若い星周りには、惑星形成の現場となるガスと固体微粒子（ダスト）からなる原始惑星系円盤が存在する。惑星形成の初期段階は、ミクロンサイズのダストが合体成長し、キロメートルサイズの微惑星を形成することである。このダスト成長過程には、円盤内のガスの運動、特にガス乱流の影響を強く受けることが知られている。近年、ガス乱流を生成する物理機構として、円盤の放射冷却に起因する不安定性が注目されている。この不安定性が駆動する冷却駆動乱流は、ダスト成長に影響を与えうる。本研究では、冷却駆動乱流の一つである鉛直シア不安定性（VSI）由来の乱流に着目する。これは、円盤の回転速度の鉛直勾配と円盤ガスの素早い冷却によって駆動する不安定性である。円盤の冷却効率は円盤ダストの空間分布やサイズ、量に依存しており、この乱流が駆動しうる領域は円盤の一部に限られることがわかっている。そこで令和4年度は、VSI駆動乱流に対する冷却率分布の依存性を系統的に調べた。公開流体コードであるAthena++を用いて、冷却率が空間的に変化する条件下で二次元大局流体数値シミュレーションを行った。実施に際しては国立天文台スーパーコンピュータXC50を使用した。その結果、乱流強度と冷却率分布の関係を解明し、VSIが乱流を駆動する正確な条件を明らかにした。この結果は、円盤ダストのサイズに応じて乱流強度が変化することを示唆し、円盤乱流下におけるダスト成長に影響を与えうる重要な結果である。以上の研究成果は複数の学会において発表済みであり、また本研究成果をまとめた論文は国際誌で出版済みである。

若い星周りには、惑星形成の現場となるガスと固体微粒子（ダスト）からなる原始惑星系円盤が存在する。惑星形成の初期段階は、ミクロンサイズのダストが合体成長し、キロメートルサイズの微惑星を形成することである。このダスト成長過程には、円盤内のガスの運動、特にガス乱流の影響を強く受けることが知られている。近年、ガス乱流を生成する物理機構として、円盤の放射冷却に起因する不安定性が注目されている。この不安定性が駆動する冷却駆動乱流は、ダスト成長に影響を与えうる。本研究では、冷却駆動乱流の一つである鉛直シア不安定性（VSI）由来の乱流に着目する。これは、円盤の回転速度の鉛直勾配と円盤ガスの素早い冷却によって駆動する不安定性である。円盤の冷却効率は円盤ダストの空間分布やサイズ、量に依存しており、この乱流が駆動しうる領域は円盤の一部に限られることがわかっている。そこで令和4年度は、VSI駆動乱流に対する冷却率分布の依存性を系統的に調べた。公開流体コードであるAthena++を用いて、冷却率が空間的に変化する条件下で二次元大局流体数値シミュレーションを行った。実施に際しては国立天文台スーパーコンピュータXC50を使用した。その結果、乱流強度と冷却率分布の関係を解明し、VSIが乱流を駆動する正確な条件を明らかにした。この結果は、円盤ダストのサイズに応じて乱流強度が変化することを示唆し、円盤乱流下におけるダスト成長に影響を与えうる重要な結果である。以上の研究成果は複数の学会において発表済みであり、また本研究成果をまとめた論文は国際誌で出版済みである。