行星摇篮里堆积的灰——天空“降灰”现象的发现——

这次发现的“天空降灰现象”的想象图。 尘埃粒子被从原始行星系圆盘中心吹起的气流卷起，堆积在圆盘的外缘部。 (信用:鹿儿岛大学)原始大小( 2.9MB )

作为地球这样的行星种子的尘埃粒子的成长，可能是由与火山的喷烟只积灰的现象非常相似的机制引起的。 根据国立天文台天文学专用超级计算机“阿泰尔伊ⅱ”的模拟表明。 出生的星星周围环绕着由气体和尘埃构成的“原始行星系圆盘”，行星被认为在那里成长。 近年来，这样的原始行星系圆盘利用艾玛望远镜被广泛观测，圆盘的外缘部也确认了作为行星种子的尘埃大幅成长的征兆。 另外，还得到了观测结果，即行星可能存在于距离圆盘中心的原恒星较远的数十天文单位的位置。 构成原始行星系圆盘的气体和尘埃以原始恒星为中心公转。 但是，理论上认为，随着尘埃的成长，圆盘内的气体像逆风一样工作，因此尘埃的公转运动受到阻碍，迅速落入中心的原始星球。 因此，在距离原恒星数十天文单位之外的圆盘的外缘部，尘埃成长，行星被认为是非常困难的。 如观测所示，从理论上解释尘埃生长和行星形成的机制，迄今为止一直是个谜。 为了解开这个谜团，鹿儿岛大学的冢本裕介助教等的研究小组使用“atel ii”在世界上首次进行了考虑了原始行星系圆盘内的气体和成长的尘埃两方面运动的三维磁流体力学模拟。 然后，他们发现了尘埃不会落入圆盘中心的原恒星而是生长的新机制。 模拟结果表明，原始行星系圆盘内侧生长较大的灰尘会被从圆盘垂直吹起的气流卷起。 之后，尘埃在离心力的作用下与气流分离，最终沉积在圆盘外缘部，这一情况变得明确了。 这一机制与火山火山口释放出的喷烟，即气体和灰的混合物在大气中分离，仅灰落在地表的“降灰”很相似。 因此，研究小组将其命名为“天空降灰现象”。 在成长的尘埃堆积的圆盘的外缘部，由于气体密度小，圆盘内气体受到的逆风很弱，因此很难落到圆盘中心的原恒星上。 通过这种“天空降灰现象”，就能够说明圆盘外缘部存在生长的尘埃。 这样的尘埃可能导致了原始行星系圆盘外缘部的行星形成。 该研究成果由yusuke tsukamoto et al .《“ash fall”induced by molecular outflow in protostar evolution》刊登在2021年10月15日的美国天文学专业杂志《天体日报》上。( 2021年12月14日新闻发布)相关链接

行星摇篮里堆积的灰——天空“降灰”现象的发现——

【概要】 鹿儿岛大学助教冢本裕介等人的研究小组使用国立天文台的天文学专用超级计算机“阿泰尔ⅱ”对行星种子固体微粒子的“尘埃”(生长至数毫米左右的尘埃)降落在行星摇篮“原始行星系圆盘”上的现象进行了模拟。 由于这种现象与火山喷发中的降灰的相似性，命名为“天空降灰现象”.地球上的火山喷发带来的降灰对人们的生活有很大的影响，但是这次发现的天空“降灰”有可能成为在圆盘外侧区域使行星种子生长的机制。此外，此次发现还为通过最新的超级计算机三维模拟在世界范围内首次探明尘埃在形成期的原始恒星周围的生长和运动，从而为行星形成起到重要作用这一全新的理论理解铺平了道路，这一点也很重要。该研究成果由yusuke tsukamoto et al .““ash fall”induced by molecular outflow in protostar evolution”发表，刊登在2021年10月15日的美国天文学专业杂志《天体日报》上。( 2021年12月14日新闻发布)

图1 :这次发现的“天空降灰现象”的示意图.表示由从原始行星系圆盘的中心吹起的气流卷起的尘埃粒子降落在圆盘外缘部的情况.(信用:鹿儿岛大学)下载[PNG (9.6 MB兆字节) ] 

【详细】 行星诞生于“原始行星系圆盘”，即在刚出生的星星周围形成的气体和尘埃圆盘。这种尘埃是0.1微米左右的非常小的固体微粒，如香烟的烟雾粒子，被称为“尘埃”。在行星形成过程的研究中，通过观测和理论来解释这些小灰尘是如何生长，以及随之如何运动的尝试非常盛行。根据以往的天文观测，在出生100万年以内的非常年轻的原始行星系圆盘上检测到了尘埃成长的征兆。此外，在距离中心的原始行星数10天文单位的距离内，圆盘上观测到了间隙结构，其中的一个原因是行星的存在。这里 ，人们一直认为，这暗示着在年轻的原始行星系圆盘上，尘埃的生长和行星的形成已经发生的可能性。 原始行星系圆盘的成分气体和尘埃以原始恒星为中心公转。但是，随着尘埃在圆盘中的成长，圆盘内的气体像逆风一样工作，从而阻碍了尘埃的公转运动。 理论上认为，尘埃迅速落入中心原星.这种现象称为"尘埃中心星坠落" .这表明，在距离中心星数十天文单位距离的圆盘外缘部，尘埃成长，很难形成行星。因此，解释行星在观测暗示的圆盘外缘部的形成的理论机制尚不清楚。因此，鹿儿岛大学助教冢本裕介等人的研究小组使用国立天文台的天文学专用超级计算机“Atellyⅱ”，在世界上首次进行了将气体和成长的灰尘两方面加以考虑的3维磁流体力学模拟。 研究小组发现了避免尘埃掉落问题的新机制.模拟结果显示，原始行星系圆盘内侧大幅生长的尘埃被圆盘喷出气体的现象，即“外溢”.之后，尘埃被离心力卷起.。

图2 :气体(左图)和尘埃(右图)的流动情况。橙色线、红线分别表示气体和尘埃的通道(流线)，白色箭头表示流动方向。黄色区域表示模拟内形成的原始行星系圆盘(信用:冢本裕介)下载[PNG (5.3 MB兆字节) ]

图3 :原恒星周围的构造和这次发现的“天空降灰现象”的概念图。(1)灰尘在圆盘内生长，移动到中心的原恒星附近。(2)灰尘在气体的流出的作用下垂直卷起。(3)尘埃通过离心力从流出分离，(4)远离流出尘埃在圆盘的外缘部“降灰”。(信用:鹿儿岛大学)下载“带有文字和箭头的PNG (2.1 MB )”“仅箭头的PNG (7.8 MB )”

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 这种机理类似于火山喷发引起的降灰行为，即火山火山口释放的气体和灰的混合物在大气中分离，只有灰(或灰尘)沉积在地表上。因此，研究小组将这种现象命名为“天空降灰现象”。 在研究小组发现的这个现象中，成长的灰尘再次落在密度低的圆盘外缘部，由此，来自气体的空气阻力变小，难以落在中心原恒星上，也就是说，灰尘在外缘部也能够大幅成长， 更有可能导致行星的形成。本研究的模拟是自然解决尘埃落下问题这一理论困难，并能成为解释圆盘外缘部行星形成和圆盘间隙形成的理论突破的成果。进行模拟的冢本先生说:“在这个天空降灰现象中，一年内会降下相当于地球十分之一质量的灰。这样堆积在圆盘上的灰，也许成为了像我们居住的地球一样的行星，甚至是像我们一样的生命之素。” 通过本研究，世界上首次明确了灰尘在处于形成期的原恒星周围的生长和运动，表明了灰尘在原始行星系圆盘外缘部的生长的可能性。今后，通过进一步的模拟研究，明确灰尘的运动和尺寸分布的详细情况，从而明确其观测特征， 研究小组认为，将通过使用艾玛望远镜进行电波观测来验证这个“降灰”模型。并且，通过解释行星在圆盘外缘的物种和行星本身的形成过程，推进融合了恒星形成和行星形成理论研究的全新理论的构建。该研究成果由yusuke tsukamoto et al .““ash fall”induced by molecular outflow in protostar evolution”发表，刊登在2021年10月15日的美国天文学专业杂志《天体日报》上。

【谢词】 本研究是在日本学术振兴会科研费补助金( 18h 05437，18k 13581，18k 03703 )的资助下进行的。

【论文】 标题:“ash fall”induced by molecular outflow in protostar evolution 作者: Yusuke Tsukamoto, Masahiro N. Machida, Shu-ichiro Inutsuka 刊登杂志:Astrophysical Journal Letters刊登日期: 2021年10月15日 DOI:10.3847/2041-8213/ac2b2f

【关于本研究中使用的超级计算机】 冢本进行的模拟使用了国立天文台的超级计算机“阿泰尔伊ⅱ”。理论运算性能为3.087佩塔·菲利普斯( 1佩塔为10的15次方，软盘为表示计算机1秒钟可处理的运算次数的单位)， 作为天文学数值计算专机是世界上最快的.设置在岩手县奥州市的国立天文台水泽校区，被平安时代活跃的当地英雄阿泰尔伊命名.饱含着"勇猛果敢挑战宇宙之谜"的愿望.(信用:国立天文台)

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