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日記

phasonの日記: 巨大惑星が,形成時に主星に落下しないのは何故か? 1

日記 by phason

"Planet heating prevents inward migration of planetary cores"
P. Benítez-Llambay, F. Masset, G. Koenigsberger and J. Szulágyi, Nature, 520, 63-65 (2015).

惑星の形成と進化に関する研究は長い歴史を持ち,そのメカニズムをかなりの部分まで解き明かすことに成功している.とは言え現在でもいくつかの謎は残っており,今回の論文で議論されている惑星形成時の「惑星移動」もその一つである.
原始星の周辺にはガス円盤が広がり,ここに存在する多量のガスや塵,岩塊などが集積していくことで惑星が誕生し成長していく.しかし同時に,惑星はこのガス円盤中を公転する際に抵抗を受けたり,ガスと原始惑星との重力相互作用により自発的に生じる粗密波に公転のエネルギーが奪われることが以前から指摘されていた.
これの何が問題なのかというと,計算によれば,地球の数倍程度の大きさの惑星(や,より大きな惑星に成長する前段階でのこのサイズの核)が十分成長する時間に比べ,これら抵抗などによる損失で惑星が主星の近傍に落下してしまう時間の方が短いことが指摘されているのだ.つまり,大きな惑星を作ろうとすると,その惑星は主星の近くにしか存在できないことになってしまう.これは,主星から十分離れた位置でも大きな惑星が存在するという観測結果とは明らかに相容れない.
今回報告された論文は,惑星の成長時に生じる「熱」の影響を考慮すると惑星を外向きに引っ張る力が生じ,この問題を解決できる,というものである.

惑星の成長時,つまり塵や岩塊などが微惑星/原始惑星に衝突する際には,その重力による位置エネルギーが熱へと変換され,惑星を加熱することになる.加熱された惑星からは熱輻射が生じ,これは惑星周辺で原始円盤のガスを加熱することができる.著者らはこの効果を大雑把に取り込み(定常状態のように,落下のエネルギーが全て輻射に変換されるとした),計算を行った.
ガスが加熱されると,圧力が増大し膨張するため原始円盤のガスの密度は局所的に低下する.また,圧の上がったガスはより「高い」位置に移動できるため,どちらかといえば惑星よりも「上側」(恒星から遠い側)に移動し,そちらの密度が下がることになる.実際には,ガス円盤と惑星の公転速度の違い(圧力でも支えられるガスの方が公転速度が遅い)とかも効いてきてもうちょっと複雑な分布になるのだが,細かい点はよくわからなかったので省略.
まあとにかく,惑星からの十分な輻射があると,惑星の「上側」の密度が下がり,惑星を恒星から遠ざけようとする力が働くことが明らかとなったのだ.どの程度の輻射が存在するかは,どの程度の早さで塵や岩が集積するか,つまり惑星がどの程度の速度で成長するかに大きく依存する.多量の物体の落下がある場合は輻射で放出されるエネルギーも多く,惑星を外側に移動させようとする力も強い.
ある程度現実的な範囲でこの集積速度を変えて計算したところ,集積の早い方のパラメータでは惑星の主星への落下をとめるだけではなく,むしろ遠方へと移動させることも可能である事もわかった.

この結果はまた,「金属(天文分野では,水素やHe以外の元素をこう呼ぶ事も多い)の多い恒星の周囲では,惑星が見つかる可能性が高い」という観測結果を説明することもできる.金属量が少ない(=大部分が水素やHeから成る)ガス円盤では,塵の量も少なく,原始惑星への降着速度も遅い.となると,その成長過程においては輻射は弱くなり,惑星を外側に引っ張る力はほとんど働かない.この結果,ガスによる抵抗に負け,原始惑星/微惑星はどんどん恒星へと引き込まれてしまうのだ(そして恒星の周辺では温度が高いので,重力による集合は作られにくい).これに対し重元素を多く含むようなガス円盤の場合,原始惑星の周囲には十分な量の塵や岩塊が存在し,惑星に勢いよく衝突していく.すると原始惑星の温度が上がり,ガス抵抗に打ち勝つだけの十分な輻射を生み出すことができるわけだ.

灼熱の原始惑星が周囲のガスを加熱し,その流れに乗って系内を移動していく,というのは何ともダイナミックで面白いモデルであった.

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  • by Anonymous Coward on 2015年04月08日 1時00分 (#2792838)

    修正ニュートン力学とかが持ち出された、パイオニア・アノマリーを思い出す。
    記事内容はむしろラジオメーター効果の方だろうけど。

    # この原理は浮かび上がる魔球にも使えるな。

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犯人は巨人ファンでA型で眼鏡をかけている -- あるハッカー

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