原始惑星系円盤と降着

若い恒星の周囲を公転するガスと塵の円盤であり、惑星の原材料を供給し、中心星に質量を送り込む。

Definition

原始惑星系円盤とは、新しく形成された恒星を取り巻くガスと塵の回転する円盤であり、その中で惑星が形成され、質量が恒星に降着する。

Scope

このトピックでは、原始惑星系円盤の形成、構造、熱的・化学的成層、散逸について、また円盤物質がどのように恒星に降着し、角運動量がどのように外部に輸送されるかという物理学とともに扱う。これには、アルファ粘性モデル、磁気回転不安定性やその他の乱流、スノーラインとダストトラップの役割、そしてリング、ギャップ、渦状腕などの赤外線およびミリ波イメージングによる観測診断が含まれる。

Core questions

• ガスが恒星に降着できるように、角運動量はどのように輸送されるのか？
• 円盤の温度と密度構造は何によって決まるのか、そしてスノーラインはどこに位置するのか？
• 円盤はどのように、そしていつ散逸し、巨大惑星形成の時間を設定するのか？
• 円盤画像に見られるリングとギャップは、埋め込まれた惑星と塵のダイナミクスについて何を明らかにしているのか？

Key theories

アルファ円盤モデル

円盤降着は、ガス圧に比例する実効的な乱流粘性と無次元パラメータであるアルファによってパラメータ化され、基礎となる乱流を解明することなく、円盤の構造と進化について扱いやすい予測を可能にする。

粘性による角運動量輸送

磁気回転不安定性や円盤風によって駆動されると考えられる角運動量の外向き輸送により、円盤ガスの大部分は内側に螺旋状に移動して降着し、ごく一部の外側部分が角運動量を運び去る。

Mechanisms

円盤内の物質は、乱流応力または磁化された風によって角運動量を失い、恒星に向かって内側に螺旋状に移動する。塵は中央面（midplane）に沈降し、半径方向に漂い、圧力最大点に集中して微惑星に成長する。恒星からの放射と粘性加熱は、水やその他の揮発性物質の凝縮前線（condensation fronts）を決定する半径方向の温度勾配を設定する。

Clinical relevance

円盤の構造は、惑星に利用可能な固体および揮発性物質の在庫と位置を決定し、最終的に形成される惑星の組成と軌道を直接的に形作る。

History

円盤降着理論は、シャクラとスニヤエフによる1973年のアルファ円盤モデルによって定量的な基礎が築かれた。これは元々、コンパクト天体の降着のために開発されたものだが、原始惑星系円盤にも広く採用された。2010年代のミリ波による高解像度イメージングは、円盤が一般的にリングとギャップに構造化されていることを明らかにし、その場での惑星形成の観測研究を再構築した。

Debates

円盤降着を駆動するものは何か？

降着が磁気回転乱流、磁化された円盤風、またはその他のメカニズムによって支配されているのかどうかは、特に低温で電離度の低い外側円盤においては未解決のままである。

Key figures

• Nikolai Shakura
• Rashid Sunyaev
• Philip Armitage
• Sean Andrews

Seminal works

• shakurasunyaev1973
• andrews2020

Frequently asked questions

原始惑星系円盤はどのくらい持続するのか？

若い星団の観測によると、ほとんどの円盤のガスが豊富な段階は数百万年以内に散逸するため、ガス惑星が形成される速度に制約がある。

円盤画像に見られるリングは何が原因か？

リングとギャップは、形成中の惑星によって刻まれるか、圧力の隆起部や凝縮前線での塵の捕捉によって生じる可能性があり、どちらの解釈も活発に研究されている。