研究分野紹介

[研究目標]         [研究方法と内容]         [教育方針]



【研究目標】

 太陽系には、太陽、惑星、小惑星、衛星、彗星、太陽系外縁天体など多くの天体があります。 最近、太陽系の外にも惑星が数多く見つかり、系外惑星と呼ばれています。太陽系のような、 恒星と惑星などからなる惑星系は、宇宙に普遍的に存在すると考えられます。本研究分野では 惑星系がどのように形成されて、進化していくのかを明らかにすることを目標に、研究を進め ています。
(注)「進化」とは、生物の進化と同様に時間とともに姿を変えていくことを表す用語です。
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【研究方法と内容】

 惑星系がどのようにして生まれたのかを解明するためには、いろんな研究手段を用いる必要があります。 本研究室では、物理学やコンピューターを用いた理論的研究、隕石や宇宙塵(ウチュウジン:宇宙から 降ってくる微小な塵) の詳細な観察と分析による実験的研究など、さまざまな方法で研究を進めていま す。これらの方法で研究している教員や学生が互いに議論しあって、どのようにして惑星系が形成され、 進化するのかを明らかにしようとしています。

太陽系の形成過程の概念図

太陽のような恒星や、そのまわりを公転する惑星などの母体は、希薄なガスと塵からなる分子雲です。 分子雲の中で密度が高い部分は分子雲コアと呼ばれています。分子雲コアが重力によって収縮すると、 中心に太陽のような星と、そのまわりを公転する原始惑星系円盤が形成されます。

惑星系形成進化学分野では、分子雲コアから原始惑星系円盤を経て惑星が生まれる過程を 理論モデル太陽系物質の詳細 な分析などで明らかにすることを目指しています。
われわれ惑星系形成進化学の研究室では理論モデルから惑星系の形成を解明しようとする 理論系と太陽系物質の詳細な分析から解 明しようとする実験系の2つに分かれ、 それぞれのアプローチから惑星系の進化の過程を探求しています。

理論系

原始惑星系円盤の大部分は、水素やヘリウムなどのガスです。そのなかに少量の岩 石質の物質が微細な塵として浮遊しています。微細な塵が、互いに衝突付着したり、重力で集まったりと いう過程を何度も経て地球のような惑星にまで成長したと考えられています。 当研究分野では微細な塵がどのように集まって、天体ができたのかの理論モデルを構築しています。
誕生したばかりの星や原始惑星系円盤は、濃いガスの中に存在するために直接観測することが困難です。
そのため当研究分野では、数値シミュレーションを用いて星や原始惑星系円盤の形成や惑星の進化を調べています。

関谷の研究

理論物理学に基づいた惑星系の形成、進化過程の研究をしています。惑星系は原始惑星系円盤(図)を母体として形成されたと考えられています。円盤の質量の大部分は、水素やヘリウムなどのガスですが、1%程度の固体微粒子が含まれています。この固体微粒子が集積して、微惑星が形成されます。微惑星が衝突合体を繰り返すことにより、地球のような惑星が形成されます。原始惑星系内の固体物質の輸送・拡散過程や微惑星の内部の温度変化や表面温度の変化は、惑星系の物質進化にとって非常に重要です。最近は、これらのことを解明するために研究を進めています。

 

原始惑星系円盤の想像図。中心星のまわりを原始惑星系円盤が公転している。円盤に垂直に希薄なガスのジェットが噴出している。


町田の研究

大規模数値シミュレーションを用いて、「初期宇宙での天体形成」、「星形成」、「惑星形成」、「衛星形成」、「宇宙ジェット」 の研究を行っている。下の図は、数値シミュレーションの結果を示している。左下の図は、原始惑星系円盤中で原始惑星にガスが流入する 様子を表している。この後1万年程度で木星のようなガス惑星へと進化する。右下の図は、分子雲コア中で原始星が誕生して、その周りの円盤中で 原始惑星が誕生している様子を表している。中心の原始星は、この後およそ1千万で太陽のような主系列星へと進化する。 円盤中の原始惑星のいつくかは中心の原始星に落下する。落下しなかった原始惑星が観測されるような惑星へと進化すると考えられる。

 


下の図は、宇宙初期に誕生した星(ファーストスター)からジェットが駆動している様子を表している。宇宙初期に形成する ダークマターハロー中でバリオン成分が凝集して中心部分にファーストスターが誕生する。このとき、背景宇宙に僅かでも 磁場が存在するとファーストスターは周囲に円盤作ることなく、磁場によって秒速100km/s以上の速度を持つジェットを駆動する。

 

中心の球状の部分が原始ファーストスター。 水色の線は磁力線を表している。緑色の部分がジェットに対応する。 この後、時間と共に中心の星は100太陽質量程度まで成長する。最終的に、中心の星は超新星爆発を起こし、中心に巨大なブラックホールが 誕生すると考えられている。

実験系

モデルを作成しただけでは、それが正しいのかどうかの証拠がありません。 太陽系の初期のできごとの証拠は、地球のような大きな天体には、ほとんど残されていません。 地球は岩石が高温で融けて、重いものが沈み、軽いものが浮かぶということを繰り返してきました 。岩石が融けるとそれまでの情報の大部分が失われてしまいます。 そこで、当研究分野では、小惑星からやってきた隕石や、彗星がまき散らした塵などを精密に分析して、 太陽系初期の情報を探っています。

岡崎の研究

太陽系物質の起源と進化過程の解明をめざして、地球外物質の元素・同位体分析を行っています。これまでにコンドライト隕石や火星隕石、宇宙塵(直径ミリメートル以下の微粒子)、はやぶさ探査機が持ち帰った微粒子など、様々な物質の分析を行っています。地球などの惑星や小惑星、彗星などを構成している固体物質はそれらが形成した環境や材料物質、その後に経験した出来事を反映した様々な特徴をもっています。それらの特徴をできるだけ多く取得するために、顕微鏡による観察、機器を用いた元素組成分析や同位体質量分析など多岐にわたる分析を行っています。特に「希ガス」専用の高感度質量分析計を用いた地球外物質の分析を主に行っている世界的にも数少ない研究室のひとつです。希ガス同位体からは、物質の起源(太陽系以外の星で出来た粒子なども識別できる)や進化過程(粒子が形成された時期、経験した加熱温度など)を知ることができます。

 

当研究室の希ガス質量分析計では隕石や宇宙塵などに含まれる原子数1万個程度の希ガス同位体を検出することができ、はやぶさ試料のような微小試料の分析も可能です。さらに、レーザーを用いた局所ガス抽出および、「レーザー共鳴イオン化+飛行時間型質量分析計」を取り入れた新しい質量分析装置の開発が行っています(図2)。

 



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【教育方針】

 研究室に配属された学生には、理論系、実験系のどちらかを選んでもらいます。理論系、実験系で それぞれ別のプログラムで研究に必要な基礎力を磨く教育を行います。これは、浅い知識や技術では 研究が出来ないからです。しかし、研究を行うには、惑星系に関する広範囲な知識も必要となります。 実験系と理論系の相互理解を深め、知識を広めるために、セミナーは研究室全体で行います。

理論系のプログラム

惑星系形成過程、または宇宙の様々な現象を理解するために、物理学、数学、天文学を個人で勉強をする。 また、以下のようなゼミを週一回開催している。

・関係分野の教科書を読む (関谷, 個々の学生)
    - 興味がある分野の教科書を読む
    - 週一回分からなかった箇所を教員に質問する

・AstroPhysical Seminar (APゼミ: 町田, 学生全体)
    - 半期で教科書を輪読して天文学、宇宙の現象に関する知識を取得する
    - 惑星形成、星形成、銀河形成、ブラックホール、宇宙ジェットなど
    - 過去に使用した教科書
        系外惑星 (東京大学出版会), 比較惑星学 (岩波出版), 活動する宇宙 (裳華房)

・宇宙論ゼミ (町田, 主に3,4年生)
    - 宇宙論入門(ピアソン。エデュケーション)の教科書を半期で輪読する
    - インフレーション、ビッグバンからダークマターによる宇宙の大規模構造形成までの理解

・ランチタイムセミナー(町田,学生全体)
    - 興味のある分野の論文を読み、内容をまとめて発表する

実験系のプログラム

惑星物質の起源・進化過程を理解するためには、これまでに報告されている様々な物質の特徴を 知り、理解することが必要である。これらについて、日本語、英語の教科書を用いた以下のゼミ で学ぶ。

・惑星物質科学に関するゼミ(3年生)

  - 日本語の教科書を用いて、惑星物質科学に関する基本的な知識を取得する


・惑星物質科学に関するゼミ(4年、修士)

  - 英語の教科書を用いて、より専門的な惑星物質科学に関する知識、および最先端の惑星物質科学に関する知識を取得する


また、データを正しく取得・解釈するため、あるいは新しい分析方法を開発するためには既存の分析手法について良く理解する必要がある。上記のゼミに加えて、教員・先輩の分析に参加・見学することで実際に学んでもらう。

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