[M-GI35] 計算科学による惑星形成・進化・環境変動研究の新展開

[MGI35-04] Particle-Particle Particle-Tree法を用いた惑星系形成のN体計算コードの開発

*石城 陽太^1,4、小南 淳子²、牧野 淳一郎³、藤本 正樹⁴ (1.東京大学、2.東京工業大学、3.理化学研究所計算科学研究機構、4.宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所)

キーワード：N体計算、惑星系形成

一般に，惑星系は，中心星を取り巻く原始惑星系円盤から形成したと考えられている．特に，固体惑星やガス惑星のコアは，原始惑星系円盤内でkmサイズの天体(微惑星)の集積により形成したとされている．微惑星の集積過程は，主に微惑星系の重力多体計算(N体計算)によって議論されている．また，従来の惑星系形成標準理論にも様々な未解決問題が指摘されており，近年，それらの問題を解決するために様々な惑星系形成モデルが提唱されている．しかし，これらの新しいモデルにも問題点のないものは存在しない．また，十分な粒子数のN体計算が行われていないため，汎惑星系形成論となるモデルは未だ構築されていない．

本研究では，惑星系形成シミュレーションのためのparticle-particle particle-tree (P³T)法を用いた新しいN体計算コード，GPLUMの開発を行った．GPLUMでは，カットオフ半径より近距離の粒子間の重力相互作用を4次エルミート法で計算し，それより遠距離の粒子間重力相互作用をツリー法を用いて計算する．また，従来のP3T法を用いたコードでは，系内の粒子について質量比が大きくつくと計算速度が低下するという問題があるが，GPLUMでは，カットオフ半径を粒子間の相互作用ごとに質量と軌道長半径に基づいて定める新たなアルゴリスムを実装することで，従来のP3T法コードの問題点を解決している．GPLUMの性能は，従来のP³T法コードと比較して，大きな質量比のついた質量分布を持つ粒子系のシミュレーションに対しては大幅に改善される．
N体計算コードの性能を改善することにより，惑星系形成過程の大域的なシミュレーションが可能になる．GPLUMによって，N体計算で~10⁶-10⁷粒子を扱うことが可能となり，これまでN体計算で扱うことができなかった広範囲，高解像度のN体計算を行うことができる．さらに，計算コストが向上したことで，たくさんの数値実験が可能となり，パラメータスタディによる新たな議論も可能となることが期待される．