惑星形成円盤のガス運動を描き出す
exoALMA Large Program では、原始惑星系円盤のガス運動を高精度で測定しました。 ケプラー回転からのわずかなずれを抽出することで、円盤に埋もれた形成途上の惑星や、惑星形成環境の進化を左右する物理過程の手がかりを探ります。
惑星系の成り立ちを誕生の現場から探る
惑星系の性質の由来を知るには、惑星が生まれつつある現場を調べることが重要です。若い星の周囲には、星の形成過程で、ガスと固体微粒子（ダスト）から成る円盤構造が自然に形成されます。この円盤物質の一部は中心星へ降り積もる一方、星に落ちきらなかった物質から惑星が形成されると考えられています。このような星周円盤は、原始惑星系円盤と呼ばれます。
近年の高解像度観測により、原始惑星系円盤の内部には、リングや溝、スパイラル構造、局所的なダストの集積など、多様な微細構造が存在することが明らかになってきました。これらの構造は、惑星形成の兆候、あるいは誕生しつつある惑星と円盤との相互作用の証拠である可能性があります。私たちは、すばる望遠鏡やALMAをはじめとする地上・宇宙望遠鏡を用いて、円盤の構造や系外惑星の性質を詳しく調べています。惑星が生まれる環境と、形成後の惑星系の姿をつなぐ将来的な理解を視野に入れながら、円盤の進化がどのように多様な惑星系の構造へとつながるのか、その過程を、観測を手がかりに探っていきます。
原始惑星系円盤のダスト連続波放射。非対称構造が見えている。（Credit: A. Nishida）
観測で惑星系形成のメカニズムを検証する
原始惑星系円盤に見られるリングや溝、非対称構造、ガスの複雑な運動などは、円盤内部で進行する物理過程の痕跡であり、惑星形成がどのように進むのかを読み解く手がかりになります。たとえば、円盤内に形成されつつある惑星は、周囲のガスに重力的な影響を与え、溝や渦、局所的な流れの変化を生み出す可能性があります。一方で、惑星が関与しなくても、磁場、乱流、円盤風、ガスの圧力構造などは、円盤の進化や物質輸送に影響を与えると考えられます。
私たちは、観測で得られる円盤の構造やガスの運動を、理論モデルや数値シミュレーションと結びつけて解釈することを意識しています。観測された特徴を円盤全体の力学的な進化の中に位置づけることで、その背後にあるメカニズムに迫ります。特に、ガスの運動や磁場、圧力構造がダストの集積や成長にどのように関わり、惑星形成に適した環境を作り出すのかを、理論研究者と連携しながら検証することを目指しています。
exoALMAによるCOピーク強度マップ。惑星形成円盤におけるガスの空間分布を捉え、円盤力学を調べる基礎となる
惑星材料の進化を読み解く
惑星は、円盤中のガスやダストを材料として形成されます。そのため、どのような惑星が生まれるかを理解するには、円盤の構造や運動だけでなく、円盤物質そのものの性質を調べることが重要です。円盤内の温度、密度、電離度、紫外線照射、ガスの運動、ダストの沈殿や成長は、互いに影響し合いながら、ガスや固体物質の分布と化学組成を変化させていきます。すなわち、円盤の物理状態と物質進化を切り離さず、一体として捉えることが必要になります。たとえば、ダストが成長して円盤の赤道面へ沈殿すると、円盤表面に届く放射やガスの温度構造が変わり、化学反応や分子の分布にも影響を与えます。また、ガスの組成や電離状態は、円盤の力学、磁場との相互作用、ガス散逸の過程とも深く関係しています。このように、力学と輸送過程、ダストの成長、ガス・ダストの組成進化は、相互に結びついた問題です。
ALMAなどによる分子輝線観測やダスト連続波観測を通じて、惑星の材料が円盤内でどのように進化し、惑星の性質へとつながっていくのかを明らかにすることを目指しています。物理と化学、構造と物質をつなぐ視点から、惑星形成環境の理解に迫ります。
ダスト連続波と分子輝線観測は、惑星材料の異なる成分をたどる手がかりになる。（Credit: NAOJ）