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

构建新的冰/岩石星子形成模型，重点关注冷却驱动的湍流和尘埃的共同演化

基本信息

批准号：
22KJ1337
负责人：
福原優弥
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

在年轻的恒星周围，存在由气体和固体颗粒（灰尘）组成的原始行星圆盘，它们是行星形成的部位。行星形成的早期阶段是微米大小的灰尘的聚结，形成了公里大小的行星。已知这种尘埃生长过程受到圆盘内气体运动的影响，尤其是燃气湍流。近年来，作为产生燃气流量的物理机制，由光盘辐射冷却引起的不稳定性吸引了人们的注意。这种不稳定驱动了会影响尘埃生长的冷却驱动的湍流。这项研究的重点是由垂直剪切不稳定性（VSI）引起的湍流，这是冷却驱动的湍流之一。这是磁盘旋转速度的垂直梯度和磁盘气体快速冷却所驱动的不稳定。光盘的冷却效率取决于空间分布，尺寸和圆盘灰尘的数量，并且发现可以驱动该湍流的区域仅限于圆盘的一部分。因此，在2022年，我们系统地研究了冷却速率分布对VSI驱动湍流的依赖性。使用公共流体代码雅典娜++，我们在冷却速率变化的条件下进行了二维全球流体数值模拟。国家天文天文台超级计算机XC50用于实施。结果，阐明了湍流强度与冷却速率分布之间的关系，并阐明了驱动湍流的VSI的确切条件。该结果表明，根据磁盘灰尘的大小，湍流强度会发生变化，这是可能影响磁盘湍流下尘埃生长的重要结果。上述研究结果已在几个学术会议上发表，总结了该研究结果的论文已发表在国际期刊上。