Elucidation of dust dynamics in protoplanetary disks with magnetohydrodynamic simulations

通过磁流体动力学模拟阐明原行星盘中的尘埃动力学

• 批准号: 22K14081
• 负责人: 森 昇志
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14081/
• 关键词: 惑星形成; 原始惑星系円盤; 磁気流体力学; ダスト

惑星形成過程において、原始惑星系円盤のダスト運動を支配するガス運動は謎に包まれており、惑星形成過程解明の阻害となっている。太陽系の隕石学的証拠からは、ダスト粒子が動径方向に大きく移動したことが示唆されている一方で、乱流が弱かったことが示唆されている。このことは多様なガス運動が起きたことを示唆する。本研究では、非理想磁気流体力学効果を全て考慮することで、層流的に降着する原始惑星系円盤の最新の描像に基づいて、円盤のダスト輸送過程を明らかにする。特に乱流的運動以外にも、大規模な動径方向の流れや円盤風による鉛直方向の流れを考慮した、高次元なダスト輸送過程の理解を目指す。本年度は主に本研究課題の主軸となるシミュレーションコードの開発を行なった。まず円盤の密度構造を固定し、星からの照射による照射加熱と円盤の粘性に起因する粘性加熱を考慮した数値計算テストを行なった。照射加熱のみを考慮した計算では解析モデルと完全に一致することができた。また、照射加熱を粘性加熱を考慮した計算では、シミュレーションの方が10%ほど温度が高くなるものの全体的な温度構造を再現できており、十分を示した。そのことから、少なくとも静的な円盤構造に関しては、十分温度構造を再現できることを確認した。また磁場を考慮しない場合のシミュレーションを行なったところ照射不安定に似た現象が発生した。これは星からの照射加熱に伴い温度の波が内側に移動するというものである。最新の研究ではその乱流強度の原因となるような不安定性は成長しないことが示唆されている。どちらの手法がより現実的かは依然として明確ではないものの、このことは照射不安定の有無はシミュレーションの設定に敏感であり、慎重に手法を選択する必要があることを示唆している。

在行星形成过程中，控制原行星盘中尘埃运动的气体运动笼罩在神秘之中，这成为阐明行星形成过程的障碍。来自太阳系的气象证据表明尘埃颗粒有较大的径向运动，但湍流较弱。这表明发生了各种气体运动。在这项研究中，我们根据层流吸积原行星盘的最新图片，考虑所有非理想磁流体动力学效应，阐明了盘中灰尘的传输过程。特别是，我们的目标是了解高维灰尘传输过程，该过程不仅考虑湍流运动，还考虑盘风引起的大规模径向流和垂直流。今年，我们主要开发了模拟代码，这是该研究项目的主要重点。首先，我们固定了圆盘的密度结构，并进行了考虑了恒星辐射引起的辐射加热和圆盘粘度引起的粘性加热的数值计算测试。仅考虑辐照加热的计算能够完全匹配分析模型。此外，在辐照加热中考虑粘性加热的计算表明，虽然模拟中的温度高出约10%，但总体温度结构可以再现并且令人满意。由此，我们确认可以充分再现温度结构，至少对于静态盘结构而言。此外，当我们在不考虑磁场的情况下进行模拟时，出现了类似于辐照不稳定的现象。这是因为由于恒星的辐射加热，温度波向内移动。最新研究表明，导致湍流强度的不稳定性并没有增加。尽管尚不清楚哪种方法更现实，但这表明辐照不稳定性的存在与否对模拟设置很敏感，因此应谨慎选择该方法。

项目成果

Chemical and Physical Characterization of the Isolated Protostellar Source CB68: FAUST IV

• DOI: 10.3847/1538-4357/ac77e7
• 发表时间: 2022-06
• 期刊: The Astrophysical Journal
• 作者: M. Imai;Y. Oya;B. Svoboda;H. Liu;B. Lefloch;S. Viti;Yichen Zhang;C. Ceccarelli;C. Codella;C. Chandler;N. Sakai;Y. Aikawa;F. Alves;N. Balucani;E. Bianchi;M. Bouvier;G. Busquet;P. Caselli;E. Caux;S. Charnley;S. Choudhury;N. Cuello;M. D. Simone;F. Dulieu;Aurora Durán;L. Evans;C. Favre;D. Fedele;S. Feng;F. Fontani;L. Francis;T. Hama;T. Hanawa;E. Herbst;S. Hirano;T. Hirota;A. Isella;I. Jímenez-Serra;D. Johnstone;C. Kahane;R. Le Gal;L. Loinard;A. López-Sepulcre;L. Maud;M. Maureira;F. Ménard;S. Mercimek;A. Miotello;G. Moellenbrock;S. Mori;N. Murillo;Riouhei Nakatani;H. Nomura;Y. Oba;R. O’Donoghue;S. Ohashi;Y. Okoda;J. Ospina-Zamudio;J. Pineda;L. Podio;A. Rimola;T. Sakai;D. Segura-Cox;Y. Shirley;V. Taquet;L. Testi;C. Vastel;N. Watanabe;Yoshimasa Watanabe;A. Witzel;C. Xue;B. Zhao;S. Yamamoto

The Roles of Dust Growth in the Temperature Evolution and Snow Line Migration in Magnetically Accreting Protoplanetary Disks

尘埃生长在磁吸积原行星盘温度演化和雪线迁移中的作用

• 发表时间: 2023
• 期刊: The Astrophysical Journal
• 作者: Kondo;Katsushi ; Okuzumi;Satoshi ; Mori;Shoji
• 通讯作者: Shoji

Insights on the Sun Birth Environment in the Context of Star Cluster Formation in Hub?Filament Systems

轮毂灯丝系统星团形成背景下太阳诞生环境的见解

• DOI: 10.3847/2041-8213/acc849
• 发表时间: 2023
• 期刊: The Astrophysical Journal Letters
• 作者: Arzoumanian Doris;Arakawa Sota;Kobayashi Masato I. N.;Iwasaki Kazunari;Fukuda Kohei;Mori Shoji;Hirai Yutaka;Kunitomo Masanobu;Kumar M. S. Nanda;Kokubo Eiichiro
• 通讯作者: Kokubo Eiichiro

Effective dust growth in laminar circumplanetary discs with magnetic wind-driven accretion

磁风驱动吸积作用下层流环行星盘中尘埃的有效生长

• DOI: 10.1093/mnras/stac3428
• 发表时间: 2022
• 期刊: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
• 影响因子: 4.8
• 作者: Shibaike Yuhito;Mori Shoji
• 通讯作者: Mori Shoji