SlideShare uma empresa Scribd logo
1 de 40
Baixar para ler offline
2015年11月9日 宇宙科学入門 2015年度後期
惑星系の形成理論
大学院理学研究科 宇宙物理学教室 佐々木貴教
本日の内容
✤ 太陽系形成論の簡単なレビュー

 標準理論(京都モデル)の概要とその拡張
✤ 系外惑星の発見、そして汎惑星形成理論へ

 多様な惑星系をいかに作るか
✤ 宇宙にあふれる ”ハビタブルプラネット” たち

 我々はどこから来て、どこへ行くのか
太陽系形成論の簡単なレビュー
太陽系の構成メンバー
地球型惑星
  水星
  金星
  地球
  火星
巨大ガス惑星
   木星
   土星
巨大氷惑星
  天王星
  海王星
太陽系形成標準理論(京都モデル)
©Newton Press
巨大氷惑星形成
京都モデルの基本概念
円盤仮説
・惑星系は原始惑星系円盤から形成される
・円盤はガスとダストから構成される
微惑星仮説
・ダストの集積によって微惑星が形成される
・微惑星の集積によって固体惑星が形成される
・固体惑星にガスが降り積もることによって
 ガス惑星が形成される
             [林忠四郎 他, 1985]
原始惑星系円盤
! 
! 
原始惑星系円盤分子雲コア
分子雲コアの収縮
  重力と遠心力のつりあい
原子惑星系円盤が形成
原始太陽系円盤の組成
一般に円盤質量の99%はガス(水素・ヘリウム)
残りの1%がダスト(固体成分)
・現在の太陽系の惑星の固体成分(約10-4M太陽)
  → すりつぶして円盤状にならす
・固体成分の約100倍の質量のガス成分を加える
最小質量円盤モデル(京都モデル)
原始太陽系円盤の初期質量は約10-2M太陽
重力と遠心力の釣り合いから半径は約100AU
Snow line 以遠では水が凝結し固体面密度が上昇
原始惑星系円盤の観測
実際に様々な形の円盤が観測されている
 → 原始惑星系円盤は確かに存在する!
微惑星の合体成長
数kmサイズの
微惑星が形成
互いに衝突・合体
を繰り返し成長
↓
暴走的成長
 大きい粒子ほど成長が速い
秩序的成長
 全ての粒子が同じ速度で成長
多体問題専用計算機 GRAPE
多体(微惑星)の重力計算
 → 計算量が膨大になる
粒子間相互作用の部分だけを
専用計算機で計算したい
 → GRAPE 誕生!
GRAPE-6 と 牧野淳一郎教授
KOKUBO AND IDA
FIG. 4. Time evolution of the maximum mass (solid curve) and the mean
mass (dashed curve) of the system.
thanthisrangearenotstatisticallyvalidsinceeachmassbinoften
has only a few bodies. First, the distribution tends to relax to a
暴走的成長の様子
平均値
最大の天体
微惑星の暴走的成長
 → 原始惑星が誕生する
20 KOKUBO AND IDA
FIG. 3. Snapshots of a planetesimal system on the a–e plane. The circles
represent planetesimals and their radii are proportional to the radii of planetesi-
mals. The system initially consists of 3000 equal-mass (1023 g) planetesimals.
FIG. 4. Time evolution of the maximum mass (solid curve) and the mean
mass (dashed curve) of the system.
thanthisrangearenotstatisticallyvalidsinceeachmassbinoften
has only a few bodies. First, the distribution tends to relax to a
decreasing function of mass through dynamical friction among
(energy equipartition of) bodies (t = 50,000, 100,000 years).
Second, the distributions tend to flatten (t = 200,000 years). This
is because as a runaway body grows, the system is mainly heated
by the runaway body (Ida and Makino 1993). In this case, the
eccentricity and inclination of planetesimals are scaled by the
軌道長半径 [AU]
軌道離心率
質量[1023g]
時間
[Kokubo & Ida, 2000]
FORMATION OF PROTOPLANETS FROM PLANETESIMALS 23
FIG. 7. Snapshots of a planetesimal system on the a–e plane. The cir- FIG. 8. The number of bodies in linear mass bins is plotted for t = 100,000,
寡占的成長の様子軌道離心率
各場所で微惑星が暴走的成長
 → 等サイズの原始惑星が並ぶ
寡占的成長とよぶ
=
各軌道での原始惑星
質量 [kg] 形成時間 [yr]
地球軌道 1×1024 7×105
木星軌道 3×1025 4×107
天王星軌道 8×1025 2×109
軌道長半径 [AU]
原始惑星から惑星へ
( )
()原始惑星の質量[地球質量]
軌道長半径 [AU]
地球型惑星
 原始惑星同士の合体
巨大ガス惑星
 原始惑星のガス捕獲
巨大氷惑星
 原始惑星そのまま
snow line
ジャイアントインパクト
軌道長半径 [AU]
軌道離心率
planets is hnM i ’ 2:0 Æ 0:6, which means that the typical result-
ing system consists of two Earth-sized planets and a smaller
planet. In this model, we obtain hnai ’ 1:8 Æ 0:7. In other words,
one or two planets tend to form outside the initial distribution of
protoplanets. In most runs, these planets are smaller scattered
planets. Thus we obtain a high efficiency of h fai ¼ 0:79 Æ 0:15.
The accretion timescale is hTacci ¼ 1:05 Æ 0:58ð Þ ; 108
yr. These
results are consistent with Agnor et al. (1999), whose initial con-
Fig. 2.—Snapshots of the system on the a-e (left) and a-i (right) planes at t ¼ 0, 1
are proportional to the physical sizes of the planets.
KOKUBO, KOMIN1134
長い時間をかけて原始惑星同士の軌道が乱れる
 → 互いに衝突・合体してより大きな天体に成長
[Kokubo & Ida, 2006]
巨大天体衝突による月形成
原始地球に火星サイズの
原始惑星が衝突
飛び散った破片が地球の
周囲に円盤を形成
円盤中で月が誕生!
ガス捕獲による巨大ガス惑星形成
原始惑星は重力により周囲の円盤ガスを捕獲
・10地球質量以下 → 大気圧で支えられて安定に存在
・10地球質量以上 → 大気が崩壊・暴走的にガス捕獲
軌道付近に残っているガスを全て加速度的に捕獲
 → 急激に質量を増し木星・土星へと成長する
巨大ガス惑星の形成の様子
MACHIDA ET AL.1226
1.—Time sequence for model M04. The density (color scale) and velocity distributions (arrows) on the cross section in the ˜z ¼ 0 plane are plotted. The bottom
¼ 3) are 4 times the spatial magnification of the top panels (l ¼ 1). Three levels of grids are shown in each top (l ¼ 1, 2, and 3) and bottom (l ¼ 3, 4, and 5) panel.
l of the outermost grid is denoted in the top left corner of each panel. The elapsed time ˜tp and the central density ˜c on the midplane are denoted above each of the
ls. The velocity scale in units of the sound speed is denoted below each panel.周囲の円盤ガスが原始惑星の重力圏内に捕獲される
巨大氷惑星の形成
円盤散逸後に原始惑星が形成 → ガスを纏えず氷惑星へ
太陽系形成標準理論(京都モデル)
©Newton Press
巨大氷惑星形成
系外惑星の発見、
そして汎惑星形成理論へ
Mayor  Queloz (スイスの観測チーム)
人類初の系外惑星検出!
ペガサス座51番星の周りに Hot Jupiter が存在!
1995年10月
人類初の系外惑星発見
次々と発見される系外惑星
バラエティに富む系外惑星系
標準的な惑星形成シナリオによって説明可能か?
惑星系の多様性を生み出す要素
・原始惑星系円盤の質量の違い
  → ガス惑星の個数や位置の違いを生む?
・形成中の惑星の中心星方向への落下
(タイプ I 惑星落下 & タイプ II 惑星落下)
  → 最終的な惑星の位置の違いを生む?
・惑星の移動に伴う惑星系の変化
  → より多様な惑星系が形成される?
・軌道不安定による惑星系の変化
  → 長い時間をかけて異なる惑星系へ移行?
多様な原始惑星系円盤
牡牛座 へびつかい座
0.001 0.01 0.10.0001 1.0
円盤の質量 [太陽質量]
発
見
数
太陽系復元円盤
宇宙には様々な質量を持つ原始惑星系円盤が存在
 → 円盤の質量の違いが多様な惑星系を生み出す!?
多様な円盤から生まれる多様な惑星
円盤の質量の違い → ガス惑星の数と位置の違い
the escape velocity of protoplanets. This high random veloc-
ity makes the accretion process slow and inefficient and thus
Tgrow longer. This accretion inefficiency is a severe problem
On the ot
in circular o
HD 192263
with Æ1e1
for in situ f
case. It is d
slingshot m
circular orb
the magnet
may be wea
disks may b
Terrestria
Jovian plan
planetary a
key process
systems.
We confir
holds in
Æsolid ¼ Æ1ð
 ¼ 1=2; 3=
tions. We d
systems dep
disk profile
growth tim
and (17), re
a
Mdisk T Tgrow diskT Tcont disk
Fig. 13.—Schematic illustration of the diversity of planetary systems
against the initial disk mass for   2. The left large circles stand for central
stars. The double circles (cores with envelopes) are Jovian planets, and the
others are terrestrial and Uranian planets. [See the electronic edition of the
Journal for a color version of this figure.]
原始惑星系円盤の質量
軌道長半径 (中心星からの距離)
[Kokubo  Ida, 2002]
惑星の移動に伴う惑星系の変化
earing continues through scattering. After
00 million years the inner disk is composed
the collection of planetesimals at 0.06 AU, a
M] planet at 0.12 AU, the hot Jupiter at 0.21
U, and a 3 M] planet at 0.91 AU. Previous
sults have shown that these planets are likely
be stable for billion-year time scales (15).
Many bodies remain in the outer disk, and ac-
orbital time scales and high inclinations.
Two of the four simulations from Fig. 2
contain a 90.3 M] planet on a low-eccentricity
orbit in the habitable zone, where the temper-
ature is adequate for water to exist as liquid on
a planet_s surface (23). We adopt 0.3 M] as a
lower limit for habitability, including long-term
climate stabilization via plate tectonics (24).
three categories: (i) hot Earth analogs interior to
the giant planet; (ii) Bnormal[ terrestrial planets
between the giant planet and 2.5 AU; and (iii)
outer planets beyond 2.5 AU, whose accretion
has not completed by the end of the simulation.
Properties of simulated planets are segregated
(Table 1): hot Earths have very low eccentric-
ities and inclinations and high masses because
g. 1. Snapshots in time of the evolution of one simulation. Each panel
ots the orbital eccentricity versus semimajor axis for each surviving body.
he size of each body is proportional to its physical size (except for the
ant planet, shown in black). The vertical ‘‘error bars’’ represent the sine
of each body’s inclination on the y-axis scale. The color of each dot
corresponds to its water content (as per the color bar), and the dark inner
dot represents the relative size of its iron core. For scale, the Earth’s water
content is roughly 10j3 (28).
タイプ I, II 惑星落下に
より惑星系の軌道が大き
くかき乱される
they accrete on the migration time scale (105
years), so there is a large amount of damping
during their formation. These planets are remi-
niscent of the recently discovered, close-in 7.5 M]
planet around GJ 876 (25), whose formation is
also attributed to migrating resonances (26).
多様な惑星系形成
[Raymond et al., 2006]
Weidenschilling ,Marzari (1996),,Lin,
a
GM
a
GM
a
GM
a
GM
a
GM **
3
*
2
*
1
*
(t ~ 1My)
,
.
.
a .
a .
finale
軌道不安定による惑星系の変化
惑星間の重力の影響が
積み重なって最終的に
互いの軌道が不安定化
異なる惑星系へ
↓
Eccentric Planet の起源?
[Nagasawa et al., 2005]
惑星系の多様性を生み出す要素
・原始惑星系円盤の質量の違い
  → ガス惑星の個数や位置の違いを生む?
・形成中の惑星の中心星方向への落下
(タイプ I 惑星落下 & タイプ II 惑星落下)
  → 最終的な惑星の位置の違いを生む?
・惑星の移動に伴う惑星系の変化
  → より多様な惑星系が形成される?
・軌道不安定による惑星系の変化
  → 長い時間をかけて異なる惑星系へ移行?
理論的に予想される惑星の多様性
軌道長半径 [AU]
惑星の質量[ME]
地球型惑星
巨大氷惑星
巨大ガス惑星
HotJupiter
[Ida  Lin, 2004]
宇宙にあふれる
“ハビタブルプラネット” たち
ケプラー宇宙望遠鏡
2009年3月に打ち上げ
トランジット観測により主に系外地球型惑星を探索
宇宙は地球であふれてる!
「ハビタブルゾーン」
惑星表面に液体の水が存在できる領域
ついに Earth 2.0 が発見される
(c) NASA
[2014年4月17日]
さらに地球の「従兄弟」が発見される
(c) NASA
[2015年7月23日]
フェルミのパラドックス
エンリコ・フェルミ
(1901-1954)
Where are they?
地球に似た惑星は恒星系の中で
典型的に形成されうる
= 地球外文明はたくさんある?
これまで地球外文明との接触の
証拠は皆無である
= 地球外文明は存在しない?
天文学・生物学・数学・宇宙生物学等を巻き込む議論
われわれはどこから来たのか
われわれは何者か
われわれはどこへ行くのか
-Paul Gauguin

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados (20)

Elcas150919
Elcas150919Elcas150919
Elcas150919
 
天文学概論2
天文学概論2天文学概論2
天文学概論2
 
20140115
2014011520140115
20140115
 
20131002
2013100220131002
20131002
 
天文学概論1
天文学概論1天文学概論1
天文学概論1
 
Satelliteformation150604
Satelliteformation150604Satelliteformation150604
Satelliteformation150604
 
20131016
2013101620131016
20131016
 
天文学概論14
天文学概論14天文学概論14
天文学概論14
 
20120118
2012011820120118
20120118
 
Sci cafe151128
Sci cafe151128Sci cafe151128
Sci cafe151128
 
天文学概論4
天文学概論4天文学概論4
天文学概論4
 
Lecture141014
Lecture141014Lecture141014
Lecture141014
 
20130925
2013092520130925
20130925
 
Speech 20131019
Speech 20131019Speech 20131019
Speech 20131019
 
20121024
2012102420121024
20121024
 
Tokyojuniour140720
Tokyojuniour140720Tokyojuniour140720
Tokyojuniour140720
 
20131009
2013100920131009
20131009
 
20100922
2010092220100922
20100922
 
Kwasan150926
Kwasan150926Kwasan150926
Kwasan150926
 
20120926
2012092620120926
20120926
 

Semelhante a Lecture151109 (20)

20131106
2013110620131106
20131106
 
20101103
2010110320101103
20101103
 
Speech 20111112
Speech 20111112Speech 20111112
Speech 20111112
 
20130116
2013011620130116
20130116
 
20111109
2011110920111109
20111109
 
Speech 20121124
Speech 20121124Speech 20121124
Speech 20121124
 
20121107
2012110720121107
20121107
 
20121010
2012101020121010
20121010
 
Sasaki 20120711
Sasaki 20120711Sasaki 20120711
Sasaki 20120711
 
Kanagawa speech1203
Kanagawa speech1203Kanagawa speech1203
Kanagawa speech1203
 
Extrasolar System
Extrasolar SystemExtrasolar System
Extrasolar System
 
天文学概論6
天文学概論6天文学概論6
天文学概論6
 
20121031
2012103120121031
20121031
 
20111102
2011110220111102
20111102
 
20101020
2010102020101020
20101020
 
20121003
2012100320121003
20121003
 
20100929
2010092920100929
20100929
 
20111026
2011102620111026
20111026
 
宇宙生命との出会い
宇宙生命との出会い宇宙生命との出会い
宇宙生命との出会い
 
"「太陽と惑星と生命と」 JAXA相模原キャンパス特別公開2016,宇宙科学セミナー,平成28年7月30日 "
"「太陽と惑星と生命と」 JAXA相模原キャンパス特別公開2016,宇宙科学セミナー,平成28年7月30日 ""「太陽と惑星と生命と」 JAXA相模原キャンパス特別公開2016,宇宙科学セミナー,平成28年7月30日 "
"「太陽と惑星と生命と」 JAXA相模原キャンパス特別公開2016,宇宙科学セミナー,平成28年7月30日 "
 

Mais de noinoi79528 (15)

系外惑星の探し方
系外惑星の探し方系外惑星の探し方
系外惑星の探し方
 
Nhk150726
Nhk150726Nhk150726
Nhk150726
 
Ss quiz 150728
Ss quiz 150728Ss quiz 150728
Ss quiz 150728
 
Kyoshin 20150719
Kyoshin 20150719Kyoshin 20150719
Kyoshin 20150719
 
Tokyojuniour150712
Tokyojuniour150712Tokyojuniour150712
Tokyojuniour150712
 
Moon formation sasaki
Moon formation sasakiMoon formation sasaki
Moon formation sasaki
 
Spaceunit150213
Spaceunit150213Spaceunit150213
Spaceunit150213
 
Spaceunit150111
Spaceunit150111Spaceunit150111
Spaceunit150111
 
Midorioka141212
Midorioka141212Midorioka141212
Midorioka141212
 
Kwasan 20141206
Kwasan 20141206Kwasan 20141206
Kwasan 20141206
 
Ss quiz 140821
Ss quiz 140821Ss quiz 140821
Ss quiz 140821
 
Ss quiz 140821
Ss quiz 140821Ss quiz 140821
Ss quiz 140821
 
Rakuto 20140710
Rakuto 20140710Rakuto 20140710
Rakuto 20140710
 
Ueta shuron2
Ueta shuron2Ueta shuron2
Ueta shuron2
 
Shibaike sotsuron2
Shibaike sotsuron2Shibaike sotsuron2
Shibaike sotsuron2
 

Lecture151109