惑星のゆりかごに降り積もる灰―天空の「降灰」現象の発見―

地球のような惑星の種となる塵（ちり）の粒子の成長が、火山の噴煙から灰だけが降り積もる現象によく似たメカニズムで引き起こされているかもしれません。国立天文台の天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイⅡ」のシミュレーションによって明らかになりました。

生まれたての星は、その周囲をガスと塵から成る「原始惑星系円盤」が取り巻いていて、そこで惑星が育まれていると考えられています。近年、このような原始惑星系円盤がアルマ望遠鏡を用いて盛んに観測され、円盤の外縁部でも惑星の種となる塵が大きく成長している兆候が確認されてきました。さらに、円盤の中心にある原始星から遠く離れた数十天文単位の位置に、惑星が存在しているかもしれないという観測結果も得られています。

原始惑星系円盤を構成するガスや塵は、原始星を中心に公転しています。しかし、塵が成長するにつれて円盤内のガスが向かい風のように働くため、塵の公転運動が妨げられ中心の原始星へと急速に落ちていくと、理論的に考えられています。そのため、原始星から数十天文単位も離れた円盤の外縁部では、塵が成長して惑星が作られることは非常に困難だと考えられてきました。観測で示されているような塵の成長や惑星の形成を理論的に説明するメカニズムは、これまで謎に包まれていました。

この謎を解き明かすために、鹿児島大学の塚本裕介（つかもと ゆうすけ）助教らの研究チームは、原始惑星系円盤内のガスと成長する塵の両方の運動を考慮した3次元の磁気流体力学シミュレーションを、「アテルイⅡ」を用いて世界で初めて行いました。そして、塵が円盤中心の原始星に落ちることなく成長する新しいメカニズムを発見しました。シミュレーションの結果、原始惑星系円盤の内側で大きく成長した塵は、円盤から垂直に吹き上がるガス流によって巻き上げられることが示されました。そしてその後、塵は遠心力によってガス流から分離し、最終的には円盤の外縁部に降り積もるようすが明らかになったのです。

このメカニズムは、火山の火口から放出された噴煙、つまりガスと灰の混合物が、大気中で分離し灰のみが地表に降り積もる「降灰」によく似ています。そのことから、研究チームはこれを「天空の降灰現象」と名付けました。

成長した塵が降り積もった円盤の外縁部では、ガス密度が小さいことから円盤内のガスから受ける向かい風は弱く、そのため円盤の中心にある原始星には落ちにくくなります。この「天空の降灰現象」によって、円盤の外縁部に成長した塵が存在することを説明できるようになったのです。このような塵が、原始惑星系円盤の外縁部での惑星形成につながったかもしれません。

この研究成果は、Yusuke Tsukamoto et al. “"Ashfall" induced by molecular outflow in protostar evolution”として、米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ』に2021年10月15日付で掲載されました。