2016年日本天文学会秋季年会記者発表 巨大氷惑星の形成現場を捉えた —アルマ望遠鏡で見つけた海王星サイズの惑星形成の証拠— 発表者 塚越 崇 ( 城大学・理学部) 野村 英子 (東京工業大学・地球惑星科学系) 武藤 恭之 (工学院大学・基礎教養教育部門) 他共同研究者 川邊良平(国立天文台), 石本大貴(東京工業大学/京都大学), 金川和弘(シュチェチン大学), 奥住聡(東京工業大学), 井田茂(東京工業大学地球生命研究所), Catherine Walsh (ライデン大学), Tom J. Millar (クイーンズ大学ベルファスト) 本研究の概要 • 惑星系の土台「原始惑星系円盤」 • • 若い恒星うみへび座TW星に着目 アルマ望遠鏡を用いて円盤からの電波放射を捉えた • 円盤内の 間構造を確認 • 2周波数による観測で塵の大きさ分布を調査 • 間では大きい塵が少なくなっており、小さい塵のみが多 く存在していることを発見した • • 惑星形成に伴う 間構造を示唆 間の幅と深さは、海王星質量程度の惑星の存在を示唆 惑星系のふるさと：原始惑星系円盤 • 若い星を取り巻く 原始惑星系円盤 • • • 冷たいガスと塵で構成 星の周りを回転 塵の合体成長 • マイクロメートル・サ イズからミリメートル・ サイズへ • 塵の核がガスを纏い 惑星となる ©Newton Press うみへび座TW星の紹介 • 質量：およそ太陽程度 • 年齢：1000万年程度 太陽系の形成を調べる • 水素核融合反応を起こす前段階にある星 上で重要な観測天体 • 若い恒星としては最も地球に近い • 地球からの距離：175光年 アルマ望遠鏡による電波観測 • アルマ望遠鏡 2015年12月1~2日に実行 • 最大で66台のアンテナを16kmに渡って展開する巨大電波望遠鏡 • 多数のアンテナにより高解像度・高感度を実現 • 今回は36台のアンテナを10kmに展開して使用 • 175光年先にある円盤の木星軌道まで見ることが可能 • 天体から放射される電波を観測 • 冷たい塵(~-250℃)からの放射を直接見ることができる アルマ望遠鏡外観 研究グループのこれまでの観測成果 • アルマ望遠鏡によるやや低解 像度での観測結果 • • 野村,塚越ら(2016) 電波で見たうみへび座 TW星の原始惑星系円盤 2015年5月に観測実行 半径~25天文単位付近に 間 構造を発見 ※1天文単位は太陽と地球の距離 およそ1億5000万キロメートル 残されていた課題 アルマ望遠鏡の 最小可視サイズ 30天文単位 間の正確な構造はどのようになっているのか？ 円盤内での塵の大きさの分布はどのようになっているのか？ 今回得られた電波画像 原始惑星系円盤の詳細な姿を捉えた 10天文単位 太陽系の大きさ 海王星軌道 木星軌道 複数の 間構造 間構造に着目 •この アルマ望遠鏡の 最小可視サイズ (22天文単位) 22,37天文単位 • 5, ※２つの周波数のデータ(後述)をもとに、円盤の明るさ分布を求めた 2周波数での電波観測を実行 強度比から塵の大きさを調べることができる 電波強度 塵が放射する電波の強度 • • 周波数で変わる 塵の大きさで変わる 塵が小さい場合 塵が大きい場合 マイクロメートル・サイズ ミリメートル・サイズ 強度比 強度比 大きい 小さい 周波数 低 高 低 高 本研究では、145GHzと233GHzの周波数を採用 測定した電波強度比 間では強度比が大きくなっている 間の位置 大きい塵が少なく、 小さい塵のみ存在 解釈：惑星形成に伴う塵の分布の変化 惑星軌道に 間を形成、塵の大きさで分布が異なる • 惑星がある場合の円盤構造の理論予想(Zhuら 2012) 2ical August The10Astrophysical Journal, 755:610 (18pp), 2012 August 10 Journal, 755:6 (18pp), 2012 August • 惑星によって円盤中のガスに 間構造ができる • 対応して塵にも 間構造ができる(ガスとの抵抗力) • ミリメートル・サイズの塵が最も顕著な 間構造を示す Zhu et al. => 間では小さな塵は残るが大きな塵は少なくなる ガスの分布 半径(天文単位) 30µmの塵の分布 1mmの塵の分布 1木星質量の惑星がある場合 どのくらいの重さの惑星があるのか？ 間を形成した惑星の重さと、 間の幅・深さの間の理論的関係 金川ら(2015,2016) 20 広い ( 金川ら 2015, 2016) 0.54 0.24 5 0.06 0 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 深い 浅い [ 明るい部分との光度比 ] 0.9 1 惑星の質量 10 [ 木星質量 ] [ 天文単位 ] 0.95 様々な惑星質量に対する 15 狭い • どのくらいの重さの惑星があるのか？ 間を形成した惑星の重さと、 間の幅・深さの間の理論的関係 金川ら(2015,2016) 20 広い ( 金川ら 2015, 2016) 0.54 10 0.24 5 0.06 軽い 0 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 深い 浅い [ 明るい部分との光度比 ] 0.9 1 惑星の質量 重い [ 木星質量 ] [ 天文単位 ] 0.95 様々な惑星質量に対する 15 狭い • どのくらいの重さの惑星があるのか？ 間を形成した惑星の重さと、 間の幅・深さの間の理論的関係 金川ら(2015,2016) 20 広い ( 金川ら 2015, 2016) 0.54 土星質量 10 5 0.24 0.06 軽い 海王星質量 0 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 深い 浅い [ 明るい部分との光度比 ] 0.9 1 惑星の質量 重い [ 木星質量 ] [ 天文単位 ] 0.95 様々な惑星質量に対する 15 狭い • どのくらいの重さの惑星があるのか？ 間を形成した惑星の重さと、 間の幅・深さの間の理論的関係 金川ら(2015,2016) 海王星質量程度の惑星を示唆 20 広い ( 金川ら 2015, 2016) 0.54 土星質量 10 0.24 今回の観測結果 5 0.06 軽い 海王星質量 0 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 深い 浅い [ 明るい部分との光度比 ] 0.9 1 惑星の質量 重い [ 木星質量 ] [ 天文単位 ] 0.95 様々な惑星質量に対する 15 狭い • アルマ望遠鏡を用いたより詳細な観測へ • 電波偏光の調査：塵の大きさを正確に測定する • • • 円盤中の塵によって散乱した電波は特定の偏光を持つ どのくらい偏光するかは、塵の大きさと観測する波長に強く関係 するため、偏光を調べることで塵の大きさを制限できる 分子ガスを捉える観測： 間内のガス量を見積もる • 円盤の主成分はガスであり、形成される惑星の性質もガスの量に 依存する • ガスの分布から 間構造を調べることで、より正確に惑星質量を 見積もることができる アルマ望遠鏡第4期観測(10月~)に採択済み 本研究のまとめ • アルマ望遠鏡による新たな観測結果 • うみへび座TW星の原始惑星系円盤 • • • 間構造を再確認 2周波数による観測で塵の大きさ分布を調査 間では大きい塵が少なくなっており、小さい塵のみが多 く存在していることを発見した • • 惑星形成に伴う 間構造を示唆 間の幅と深さは、海王星質量程度の惑星の存在を示唆 本研究で与えられる惑星形成現場のイメージ図 間構造 若い恒星 原始惑星系円盤 惑星(予想) 問い合わせ先等 • 本研究のプレプリント：https://arxiv.org/abs/1605.00289 • アストロフィジカルジャーナル・レターズに掲載受理済みの論文原稿 • 問い合わせ先 • 塚越 崇 ( 城大学理学部) • • • 029-228-8362(職場) 武藤 恭之 (工学院大学基礎・教養教育部門) • • • [email protected] [email protected] 042-628-4938(研究室DI) 野村 英子 (東京工業大学・地球惑星科学系) • • [email protected] 03-5734-2622(研究室) • 本研究の解説と画像やプレゼンテーションファイル • http://alma.mtk.nao.ac.jp/j/news/20160913/ • 随時更新することがあります • 謝辞 • この研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（No. 24103504, 23103005, 25400229, 26800106, 15H02074, 16K17661）、ポーラ ンド国立科学センターMAESTRO grant DEC-2012/06/A/ST9/00276からの支援を受けて行われました。 • この分野の研究に詳しい外部研究者の紹介 • 百瀬 宗武 教授 ( 城大学; [email protected]) • 田村 元秀 教授 (東京大学/アストロバイオロジーセンター;[email protected])
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