[P-PS07] 惑星科学

[PPS07-P20] 原始惑星系円盤における鉛直シア不安定性乱流下のダストの沈殿と拡散

*福原 優弥¹、奥住 聡¹、小野 智弘² (1.東京工業大学地球惑星科学系、2.School of Natural Sciences, Institute for Advanced Study)

キーワード：原始惑星系円盤、乱流、ダスト進化

惑星は、若い星周りに存在するガスとダスト粒子の円盤（原始惑星系円盤）で形成する。惑星形成は、ミクロンサイズのダスト粒子が合体成長しキロメートルサイズの微惑星を形成することから始まる。これらのダスト成長・微惑星形成過程の理解のためには、ダストが鉛直方向にどのように分布しているかを理解することが重要である。ダストが円盤赤道面に沈殿している場合は、ダストが濃集することによってダストの重力収縮を経た微惑星形成が起こりうる。また、円盤にどのようなダスト鉛直分布が実現しうるかは、近年の電波高解像度観測により示唆されているダストリングの沈殿具合を解釈する上でも重要である。
　原始惑星系円盤において、ダストの鉛直分布を決定するのは、円盤ガス乱流である。近年、ダスト拡散に影響を与える乱流生成機構として、円盤の放射冷却に起因する鉛直シア不安定性（VSI）が注目されている。VSIは円盤鉛直方向の運動に卓越する乱流を駆動し、ダストを鉛直方向に強く拡散する。しかし一方で、ダストが拡散すると円盤冷却率の分布が変化し、VSIが駆動する乱流の強度が変化しうる。この相互作用の結果、どのようなダスト鉛直分布が実現するかは未解明である。
　本研究の目的は、VSIが駆動する乱流中でのダストの鉛直方向の拡散と沈殿の間に平衡状態が存在しうるのか明らかにすることである。まず初めに、あるダスト鉛直分布を仮定し、円盤冷却率の空間分布を求める。このときダストサイズ分布を仮定する。次に、数値流体シミュレーションの結果を用いて、その冷却率分布におけるVSI駆動乱流の強度を推定する。最後に、推定したVSI駆動乱流の強度が、最初に仮定したダスト鉛直分布と整合的な値を示すか比較し、平衡状態の存在可能性を議論する。
　その結果、VSI駆動乱流によってダストが強く鉛直に拡散される場合（拡散状態）と、VSI駆動乱流がダスト沈殿を止められずダストが赤道面に沈殿し続ける場合（暴走沈殿状態）の二つの状態があることがわかった。この二つのどちらの状態になるかはダストサイズに依存する。中心星からの距離が10 au付近では、最大ダストサイズが0.1 mm以下の場合に拡散状態になる。このときダストの鉛直拡散係数は10^(-3)に達する。一方で、最大ダストが0.1 mmより大きい場合は暴走沈殿状態になる。また、中心星から離れると拡散状態を実現できる最大ダストサイズは小さくなることもわかった。
　これらの結果は、VSIはダストサイズに応じて、ダストが強く拡散する状態と暴走沈殿している状態の対極的な状態をもたらすことを示唆する。このことから、円盤観測から示唆されているダストリングの沈殿は、これらのVSI 乱流によるダスト鉛直分布の違いで説明できる可能性がある。