公転軌道の傾きが不揃いな惑星系はこうして作られる？ 生まれたての原始惑星系円盤で見つかった回転軸のズレ

生まれたばかりの原始惑星系円盤で、回転軸の傾きが円盤の内と外でズレているものが初めて見つかったんですねー

このズレから考えられるのは、惑星の公転軌道の傾きが不揃いな惑星系などの原因になっていること。
ただ、このようなズレが生じるのはむしろ自然なことで、どこの天体でも起こり得るようです。


惑星系の元になるガスの円盤“原始惑星系円盤”

恒星や惑星系は、宇宙を漂うガスやチリからなる分子雲が自らの重力で収縮して生まれます。

そして、生まれたばかりの恒星“原始星”の周りには多くのガスが存在し、そのガスが原始星へ引き寄せられ、渦を巻いて落下していきます。

これらのガスは、原始星に向って落ち始めたときの回転の向きを保ったままどんどん落ちていき、やがて遠心力と重力が釣り合って“原始惑星系円盤”を形成していくんですねー

このため、原始星に向って降ってきたガスの角運動量（回転の向きと勢いを表す量）が、後の“原始惑星系円盤”の向きや大きさの起源と考えられていて、円盤がどのように形作られたかを理解することは惑星形成を理解する上で非常に大事なことになります。


外側がズレた円盤構造

今回、理化学研究所と千葉大学先進科学センターの研究チームは、おうし座の方向約450光年彼方にある原始星“IRAS 04368+2557”を取り巻く若い原始惑星系円盤からの電波をアルマ望遠鏡で観測。

円盤に何らかの構造が存在するか、また円盤に含まれている星間チリの粒子のサイズが、円盤の周囲にある分子雲の星間チリと比べて成長しているかを調べています。

すると、この円盤は外側ほど厚みが大きい“フレア構造”を持っていることが分かります。

さらに分かったことは、円盤の厚みと半径の比率や円盤の回転軸の傾きが、中心の原始星から半径60億～90億キロ（40～60天文単位）を境にして急に変化する“二重フレア構造”になっていること。

内と外で回転軸がズレている原因は、かつて外から降着してきたガスの回転軸が時代とともに変化してきたためだと考えられています。

（a）波長0.9ミリと1.3ミリの電波観測から明らかになった、 円盤の厚みと中心の原始星からの距離（半径）の関係。 半径40～60天文単位で急に厚みが大きくなっている。 （b）円盤が放射する電波の強度分布。 波長0.9ミリ（上）と1.3ミリ（下）の両方で、 円盤の中央面（黒の点線）が半径40～60天文単位より外側で 鉛直方向にわずかに歪んでいて、内と外で円盤の傾きが異なっている。

このように外側がズレた円盤の構造は“ワープ構造”と呼ばれ、伴星を持つ原始惑星系円盤や進化の進んだ円盤では見つかっていたのですが、今回のように伴星を持たない、かつ形成初期の円盤で見つかったのは初めてのことなんですねー

内側と外側で回転軸の傾きがズレている“ワープ構造”を持った原始惑星系円盤（イメージ図）。

“ワープ構造”が公転軌道の傾きが不揃いな惑星系を作っている？

こうした“ワープ構造”は、惑星の公転軌道の傾きが不揃いな惑星系など、ここ数年で次々に発見されている“風変わり”な惑星系の起源として注目されています。

これまで、こうした風変わりな惑星系は、離れた別の惑星の影響で軌道の傾きと離心率が変動する“古在機構”や、近くを通過した惑星の重力で軌道が変化する“惑星重力散乱”など、中心星と惑星と別の惑星という3つの天体の相互作用によってできたと考えられてきました。

でも、複数の惑星の軌道面が他の惑星の軌道面から同じようにズレている惑星系や、主星と惑星軌道の回転軸の傾きがズレている惑星系なども発見され、3天体の相互作用だけでは説明が難しいことが問題になっています。


“ワープ構造”はどこの天体でも起こり得る一般的なもの

原始星へと降り積もるガスの量は、原始星の周りのガス分布に密度の揺らぎがあるので、必ずしも一定にはなりません。

こうした状況では、原始星や円盤に降着するガスの量や回転の向きは時代によって異なっている可能性が高くなるので、“ワープ構造”が生じるのはむしろ自然なことなのかもしれません。

そのため研究チームでは、今回明らかになった現象は、どこの天体でも起こり得る一般的なものと考えています。

“ワープ構造”を持つ原始惑星系円盤の概念図。 内円盤と外円盤で回転軸の傾きにズレがあるので、このような構造になる。 外円盤のさらに外側は、エンベロープと呼ばれる降着ガスへとつながっている。 原始星に近づくにつれて密度や温度が高くなるので、電波強度も高くなり、 実際の観測データでは中心付近が最も明るく見える。

また、今回の観測で、波長1.3ミリと0.9ミリの電波の強さの比率が円盤内の半径に応じてどう変わっていくのかを調べてみると、半径90億キロより内側では、内に行くほど波長0.9ミリの電波強度が相対的に弱いことが分かります。

短い波長の電波が相対的に弱いということは、その場所にある星間チリの粒子サイズが大きいことを示しています。
そう、今回のような若い円盤で、初めてチリのサイズが場所ごとに変化している様子がとらえられたんですねー

この結果が示唆しているのは、初期円盤の段階ですでに星間チリが成長し始めていること。

このようなチリの成長が、やがては円盤内に構造が生まれて惑星の形成につながるきっかけになると考えられるので、惑星の形成についても理解を大きく変えることになるのかもしれませんね。


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