惑星は微惑星の衝突で形成されるんだけど、その微惑星を微粒子の衝突合体のみで形成することは難しいようです

今回の研究では、惑星の材料物質である原始惑星系円盤内の固体微粒子の塊について、様々な大きさでの衝突挙動の数値シミュレーションを実施。
シミュレーションには、国立天文台が運用する総コア数2160で構成された“計算サーバ”が用いられました。

その結果、明らかになったのは、塊が大きい場合には2つの塊が衝突合体する確率が低下すること。
固体微粒子が衝突合体を繰り返すのみでは、微惑星のようなサイズにまで成長することは難しいことを確認したそうです。

この研究成果は、7月6日に海洋研究開発機構（JAMSTEC）、東京工業大学（東工大）、東北大学、国立天文台（NAOJ）から発表されました。

この研究は、海洋研究開発機構 付加価値情報創生部門 数理科学・先端技術研究開発センター 計算科学・工学グループの荒川創太Young Research Fellowらの共同研究チームが進めています。

固体微粒子同士が衝突合体しても微惑星サイズにまで成長できない

惑星の形成は、原始惑星系円盤の中でμmサイズの固体微粒子同士が衝突合体して成長することから始まります。

原始惑星系円盤とは、誕生したばかりの恒星の周りに広がる水素を主成分とするガスやチリからなる円盤状の構造。恒星の形成や、円盤の中で誕生する惑星の研究対象とされている。

でも、微粒子同士の塊がある程度の大きさまで成長してくると、衝突しても跳ね返りやすくなるんですねー
なので、自己重力が働くようなサイズに成長するまでの条件が、長年の謎になっていました。

また、数値シミュレーションと室内実験の結果にも大きな乖離があり、特に衝突時の跳ね返り現象を引き起こす塊の密度の条件が大きく異なっていました。

たとえば、シミュレーションでは、塊の内部の隙間の割合が50%程度以下という高密度の場合にのみ、跳ね返り現象が頻繁に見られていました。
でも、室内実験では、隙間の割合が90%程度という低密度の場合でも、高い確率で跳ね返ることが報告されています。

微惑星は、惑星系形成の初期段階にある原始惑星系円盤の中で、固体微粒子が衝突合体を繰り返すことで作られる直径10キロ程度の小天体。原始惑星系円盤の内側には岩石や金属などの固体粒子が多く、外側には氷を含むものが多い。微惑星が衝突や合体を繰り返すことで原始惑星や惑星に進化すると考えられている。

微粒子の塊同士が衝突し、跳ね返るシミュレーションのスナップショット。（Credit: S. Arakawa et al.（出所:NAOJ CfCAプレスリリースPDF））

微惑星形成の2つの仮説

現在、微惑星の形成モデルとしては2つの仮説があります。

もし、跳ね返りが無いのであれば、衝突合体で微惑星が形成される可能性があるのに対し、跳ね返りがあるのであれば、衝突合体以外の成長メカニズムが必要になります。

そこで考えられた仮説が、微粒子の塊が原始惑星系円盤内で局所的に濃縮し、その後自己重力によって集積し形成されるというものです。

原始惑星系円盤の中では、μmサイズの固体微粒子が衝突合体によって巨視的な塊に成長し、さらに微惑星、原始惑星の状態を経て惑星に進化していく。微粒子の塊から微惑星に成長する段階では、塊の衝突合体によるものと、原始惑星系円盤内での局所的な塊の濃集による自己重力によるものとする2つの仮説ある。（Credit: JAMSTEC（出所:NAOJ CfCAプレスリリースPDF））

塊の衝突挙動の理解には、2つの仮説のどちらが微惑星形成シナリオとして妥当かを判断するかがカギになります。

このことから、今回の研究では“離散要素法”を用いた衝突シミュレーションを実施。
構成粒子数が約1万～約14万の様々な大きさの塊について、衝突時の付着率を調査しています。

今回、採用された条件は、塊が半径0.1μmの氷の微粒子で構成されていて、隙間の割合が60%の塊同士を衝突させるもの。
その結果、微粒子の塊は隙間の割合が同じなら、半径が大きい方がより付着率が低いことが判明しました。

また、塊の半径が微粒子半径の50倍以下の場合だと、塊同士が付着する確率は約90%にもなりました。

一方で、それよりも塊が大きい場合には跳ね返り易くなり、微粒子半径の70倍の大きさを持つ塊では、付着率は約50%まで下がってしまいました。

研究チームではこの結果について、過去のシミュレーションと室内実験の乖離についても、定性的な説明を与えるものだとしています。

固体微粒子の衝突合体とは別のプロセス

過去のシミュレーションで扱われてきたのは、構成粒子数が数万程度で、塊の半径が微粒子の半径数十倍という比較的小さな塊。
一方、室内実験で用いられてきたのは、微粒子数が数億以上で、微粒子半径の数百倍から数千倍の半径を持つ塊でした。

つまり、これまでのシミュレーションと室内実験とでは、用いられてきた塊の構成粒子数に大きな差があったんですねー
このことが、両者の衝突挙動の違いをもたらしていたと考えられます。

今回の結果から、原始惑星系円盤での固体微粒子の衝突合体は、塊がある程度大きくなった段階で付着率が低下し、抑制されることが示唆されています。

つまり、微粒子の衝突合体のみで微惑星を形成することは困難だということです。

このことから、微惑星の形成には、原始惑星系円盤内で微粒子の塊が局所的に農集するなど、別のプロセスの助けを借りる必要がある可能性があるようです。

実際、アルマ望遠鏡による原始惑星系円盤の観測では、固体微粒子の塊は100μm程度で成長が止まっている可能性が指摘されていて、今回の成果はこの観測結果に説明を与える可能性があるようです。

なお、今回の研究では、塊内部の隙間の割合が60％で固定されていました。
なので、異なる密度の塊については、跳ね返りが起こる条件はまだ解明されていません。
さらに、現実の塊内部の隙間の割合は、もう少し高く低密度になる可能性があるようです。

仮に、そのような低密度でも十分大きい場合には、今回の研究結果と同様に、跳ね返りが生じると考えられるものの、定量的な理解は得られていません。

2つの微粒子の塊の衝突数値シミュレーションの様子と、付着確率と塊の半径の関係。半径0.1μmの氷微粒子で塊が構成され、隙間の割合が60％の場合、塊の半径が微粒子半径の50倍よりも大きくなると付着確率が顕著に低下する（跳ね返りやすくなる）ことが示された。（Credit: S. Arakawa et al.（出所:NAOJ CfCAプレスリリースPDF））

今後。研究チームでは、現時点で調査できていない室内実験と同規模の非常に大きな塊を用いた衝突シミュレーションを実施することで、跳ね返り現象を支配する物理の解明を目指すそうです。


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