2023年 | プレスリリース・研究成果
宇宙の塵の塊の「跳ね返り」が衝突合体による微惑星形成を阻害する ―大きくなるとくっつきにくくなる粉状体の衝突挙動を発見―
【本学研究者情報】
〇大学院理学研究科天文学専攻
教授 田中 秀和（たなか ひでかず）
研究室ウェブサイト
【発表のポイント】
- 2つの固体微粒子の塊が衝突する数値シミュレーションを行い、構成粒子数が約1万粒子から14万粒子までの様々な大きさの塊について、衝突後に2つの塊がくっついて大きな塊となる（以下、「衝突合体」という。）確率を調査した。
- 衝突させる微粒子の塊の半径が大きくなるほど衝突合体する確率が低下することを数値シミュレーションによって世界で初めて発見した。
- 本研究で得られた知見は、固体微粒子の塊である粉状体の衝突挙動という基礎物理の理解を深めるものである。さらに、「惑星は宇宙の塵からどのように形成されたのか」という問いに対して、「惑星の種」である微惑星（※１）が宇宙の塵の衝突合体のみによって形成される可能性は低いことを示した。
【概要】
国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長 大和 裕幸、以下「JAMSTEC」という。） 付加価値情報創生部門 数理科学・先端技術研究開発センターでは、地球・海洋・生命の理解のための大規模数値解析手法の開発を進めており、代表的な数値解析手法である粒子法では、10億粒子を超える計算を実現するなど、世界最先端レベルの研究開発を行っています。この研究開発の一環として、同センター 計算科学・工学グループの荒川 創太Young Research Fellowらは、国立天文台の「計算サーバ」（※２）を用い、惑星の材料物質である固体微粒子の塊について、その衝突挙動を数値シミュレーションによって調べました。様々な大きさの塊について数値シミュレーションを実施した結果、塊が大きい場合に2つの塊が衝突合体する確率が低下することを明らかにしました。
「惑星の種」である微惑星は、原始惑星系円盤（※３）において固体微粒子同士が付着による衝突合体を繰り返すことで形成されたと考えられています。しかし、どのような条件の下で2つの微粒子の塊が衝突合体するのかという重要な問題が未解明のままでした。本研究の結果は、微粒子の塊が大きくなるにつれて衝突合体しにくくなるため、微粒子同士の衝突合体による成長のみで微惑星を形成することは困難であることを示唆しています。これは惑星形成プロセスを理解する上で重要な知見となります。
本成果は、「The Astrophysical Journal Letters」に7月6日付け（日本時間）で掲載される予定です。なお、本研究は日本学術振興会科学研究費（JP22J00260, JP22KJ1292, JP18H05438）の助成を受けました。
図１ 原始惑星系円盤中では、マイクロメートルサイズの固体微粒子が衝突合体によって巨視的な塊へと成長し、さらに微惑星と呼ばれる惑星の種の状態を経て惑星へと進化する。微粒子の塊から微惑星へと成長する段階では、衝突合体成長によってそのまま大きくなるという仮説と、原始惑星系円盤中での自己重力による微惑星形成という仮説の2つの可能性がある。（クレジット：JAMSTEC）
【用語解説】
※1 微惑星
惑星を形成する材料となったキロメートルサイズの小天体。マイクロメートルサイズの固体微粒子から微惑星が形成され、その後、微惑星が相互重力による衝突合体を繰り返すことで惑星が形成された。
※2 計算サーバ
国立天文台天文シミュレーションプロジェクトが運用するコンピュータ・クラスタ。小規模・長時間の数値シミュレーションによる研究を支援する目的で運用され、総コア数2160で構成される（2023年7月現在）。
https://www.cfca.nao.ac.jp/about#gppc
※3 原始惑星系円盤
若い恒星の周りに存在する、水素分子等のガスと固体微粒子を含む円盤状の構造。惑星が形成される現場であると考えられている。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学大学院理学研究科天文学専攻
教授 田中 秀和
電話：022-795-6504
E-mail：hidekazu*astr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
広報・アウトリーチ支援室
電話: 022-795-6708
E-mail:sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）