「天空の降灰」が惑星を咲かせている可能性

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原始惑星系円盤の中心星に引き寄せられた塵は火山のように巻き上げられ、灰のように円盤に積もることがシミュレーションで示唆された。この「降灰」が惑星形成にも貢献しているかもしれない。

【2021年12月16日 国立天文台 天文シミュレーションプロジェクト

惑星の形成に関する現在の理論と観測の間には、「ダスト落下問題」と呼ばれる矛盾が存在する。

生まれたての恒星(原始星)の周囲には、ガスとダスト(細かい塵)が集まった原始惑星系円盤が形成され、その中でダストが集まって成長することによって惑星が作られる。しかし、ダストがある程度大きくなると、公転中にガスからの向かい風を受けやすくなるので減速し、急速に中心の星へと落下してしまうはずだ。つまり、中心星から離れた円盤外縁部ではダストが成長できず、惑星は作られないことになると理論上は考えられるが、現実には恒星からじゅうぶん遠く離れた系外惑星が多数発見されている。

鹿児島大学の塚本裕介さんたちの研究チームは、円盤外縁部でも惑星の形成を可能にする理論的メカニズムを調べるため、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」によるシミュレーションを実施した。すると、中心星近くへ移動したダストが、火山のように巻き上げられて周囲に広まり、火山灰のように円盤外縁部に積もって、惑星の材料になり得ることがわかった。

「天空の降灰現象」の概念図
「天空の降灰現象」の概念図。(1)原始惑星系円盤内で成長したダストが中心の原始星へ移動する。(2)原始星近くに到達したダストが、ガスのアウトフローによって垂直方向に巻き上げられる。(3)遠心力によってアウトフローからダストが分離する。(4)ダストが円盤の外縁部に「降灰」する(提供:鹿児島大学)

計算によると、成長して中心方向へ引き寄せられたダストは、ガスの「アウトフロー」によって巻き上げられる。アウトフローとは円盤の磁場などの作用によって、円盤と垂直な方向にガスが噴出する現象だ。アウトフローのガスは基本的にそのまま円盤から離れていくが、ダストは遠心力によってアウトフローから離れ、そのまま円盤外縁部に落下することがわかった。

地球の火山でもガスと微粒子(火山灰)の混合物が火口から噴出し、灰だけが周囲に降り積もる。この類似性から、塚本さんたちは今回再現した現象を「天空の降灰現象」と名付けた。

シミュレーションで再現されたガスとダストの流れ
(左)今回のシミュレーションで得られたガスの流れ。移動経路がオレンジの線、方向が矢印で示されていて、原始惑星系円盤(黄色い領域)から離れるアウトフローを形成していることがわかる。(右)同じくダストの流れで、ここでは移動経路を赤線で表示している。巻き上げられたダストが再び円盤外縁部に落下しているよ様子がわかる(提供:塚本裕介)

ダストが降灰した円盤外縁部ではガスが薄くなっているため、ダストを中心へ落下させる抵抗が働きにくくなっている。したがって、今回のシミュレーションでは円盤外縁部でもダストが成長して惑星を形成できることになる。「ダスト落下問題」を解決するブレークスルーになるかもしれない結果だ。

「この天空の降灰現象では、1年で地球の10分の1ほどの質量の灰が降ってきます。こうして円盤に降り積もった灰が、私たちが住む地球のような惑星や、さらには私たちのような生命の素になったのかもしれません」(塚本さん)。