[P-PS06] 惑星科学

[PPS06-15] 跳ね返り障壁による氷ダストアグリゲイトの成長限界：ミリ波偏光観測との整合性

*大城 榛音¹、奥住 聡¹、辰馬 未沙子²、田中 秀和³ (1.東京科学大学、2.理化学研究所、3.東北大学)

キーワード：原始惑星系円盤、ダスト集合体、微惑星形成、ペブル、偏光観測

惑星形成は、原始惑星系円盤における固体微粒子の付着合体によるダストアグリゲイトの形成から始まる。従来のダスト成長理論によると、氷微惑星の材料である氷を含んだダストは非常に低密度、かつcmサイズを超えるアグリゲイトへと成長する (e.g., Suyama et al. 2008)。しかし、近年の円盤ミリ波偏光観測によって、アグリゲイトの最大サイズは0.1–1 mmにとどまり、かつ内部密度も高い(充填率>0.1)ことが明らかになってきた(e.g., Zhang et al. 2023; Ueda et al. 2024)。これらの観測は、氷ダストアグリゲイトが円盤内で圧縮される過程と、成長を妨げる過程が存在することを示唆する。
　我々は、氷ダストアグリゲイトの合体成長の阻害要因として、比較的低い衝突速度でも起こりうる跳ね返り(bouncing)に注目する。充填率の高いダストアグリゲイトがある範囲の速度で衝突すると、付着も大規模破壊もせずに跳ね返ることが知られている(Güttler et al. 2010)。我々はこれまでに、圧縮したアグリゲイトに対する系統的な数値衝突シミュレーションを行い、どのような衝突速度、アグリゲイト質量、および充填率のもとでアグリゲイトの跳ね返りが起こるかを明らかにした(Oshiro et al. submitted)。我々の計算によると、跳ね返りを起こさずに付着合体可能な最大の速度（臨界跳ね返り速度）はアグリゲイト質量の-3/4乗に比例する。このスケーリング則は、過去の室内実験(Kothe et al. 2013)の結果と整合的である。
本研究では、我々がこれまでに得た臨界跳ね返り速度のスケーリング則を利用して、跳ね返りが原始惑星系円盤におけるダスト成長をどの程度阻害するかを調べた。具体的には、円盤内の乱流などによって生じる氷ダストの相対速度（衝突速度）をダストサイズの関数として計算し、これを臨界跳ね返り速度と比較することで氷ダストの付着合体可能なサイズの上限を計算した。跳ね返りが効果的な場合にはダストアグリゲイトのサイズ分布は均一になる傾向にあるため (Dominik & Dullemond 2024)、衝突するダストアグリゲイトのサイズは等しいとして衝突速度を求めた。
その結果、充填率が0.4を超える場合、氷ダストが跳ね返らずに付着合体できるサイズの上限は約0.1 mmであり、この範囲で充填率に依存しないことがわかった。このときの衝突速度は乱流の最小渦によるものであった。一方で、充填率が0.4より低下するとサイズの上限は増加するが、その増加は1桁程度にとどまることが明らかになった。この結果は、円盤のミリ波偏光観測で見られるダストの最大サイズが0.1–1 mm程度にとどまっていることの原因が、跳ね返り障壁である可能性を示唆する。また、本研究で示唆された値は最小乱流渦間のダスト濃集(Cuzzi et al. 2001)や摩擦帯電によるアグリゲイトクラスター形成(e.g., Teiser et al. 2025)による微惑星形成や、隕石中に存在するコンドリュールの形成(Ebel et al. 2016)など、惑星科学に広く応用できるものである。