東京工業大学 理学院 地球惑星科学系の桑原歩大学院生（修士課程２年）と同大学地球生命研究所の黒川宏之研究員は、原始惑星系円盤の中で惑星の種（＝原始惑星）が巻き起こすガスの嵐が、最終的に形成される惑星系の姿を決定づけるという理論を提唱しました。

近年の観測によって、太陽系の外にも数多くの惑星が存在することが明らかにされましたが、その分布に偏りがあるということが惑星科学における大きな謎の一つでした。

本研究は、これまで考慮されてこなかったガスの嵐の影響を踏まえることで、太陽系外惑星の分布、並びに太陽系の構造に対する自然な説明を与えるとともに、生命の居住に適した惑星はどのように形成されたのか、という疑問にも示唆を与えうる成果を示しました。

背景：太陽系と系外惑星の分布は”偏っている”
１９９５年、人類初となる太陽系外惑星（以下、系外惑星）の発見を皮切りに、今日に至るまでに約４０００個を超す系外惑星が見つかっています。発見されたすべての系外惑星を惑星系の中心にある恒星（以下、中心星）からの距離に対して並べてみると、中心星の近くには小さな惑星が多く、遠方には大きな惑星が多いという偏りを示すことがわかってきました（図１）。内側に地球のような小さな惑星、外側に木星のような大きな惑星を持つ太陽系にもこの偏りがあります。

生まれたばかりの恒星の周りには、ガスや塵で構成された原始惑星系円盤（以下、円盤）が存在します。円盤の中では、塵同士が衝突合体を繰り返すことで、次第にその大きさを増していきます。この最終段階において、数ミリから数センチ程度に成長した塵が降り積もることによって惑星の種となる天体（原始惑星）たちが急速に成長し、惑星系の姿が決定づけられます。しかし、この理論の枠組みの中で惑星分布の偏りがどのようにして生まれたかということは、惑星科学における大きな謎の一つとなっていました。

研究成果：原始惑星が巻き起こすガスの嵐が惑星系の運命を決める
我々は、円盤ガスの流れと原始惑星へ降り積もる塵の動きを数値シミュレーションし、最新の理論・観測から推定された円盤内における塵のサイズ分布の知見を組み合わせることで、太陽系と系外惑星分布の偏りを説明することに成功しました。
原始惑星に降り積もる小さな塵は、周囲のガスからの摩擦を受けながら運動するため、ガスの流れの影響を受けやすいという特徴があります。本研究では、スーパーコンピュータを用いた数値シミュレーションによって、原始惑星が周りのガスを自身の重力によって乱し、複雑な構造を持つガスの嵐を巻き起こすことを示しました（図２）。さらに、小さい塵ほどガスの嵐に阻まれて原始惑星に降り積もることができないことを発見しました。

円盤の内側に存在する岩石の塵は衝突しても合体せず、小さな塵のまま留まります。そのため、原始惑星が巻き起こすガスの嵐に阻まれて降り積もりことができず、原始惑星の成長が緩やかになります。一方、円盤の外側では、周囲の温度が低く塵が氷を纏った状態で存在します。氷を纏った塵は互いにくっつきやすいため、大きく成長します。大きく成長した塵はガスの嵐に阻まれず原始惑星に降り積もります。本研究では、円盤の各場所における原始惑星の成長率を計算することで、中心星に近い領域では地球あるいは地球よりも一回り大きなスーパーアースといった小さな惑星が形成されやすく、それよりも遠い領域では木星や海王星といった大きな惑星が形成されやすいことを明らかにしました(図3)。本研究は、原始惑星が巻き起こすガスの嵐の影響を解明したことで、系外惑星分布に見られる偏り、そして太陽系の構造をも自然に説明できる可能性を世界で初めて示しました。

今後の展開
近年の観測から、水が液体の状態で存在することの出来る生命居住可能惑星（ハビタブル惑星）候補天体がいくつも見つかってきています。地球を含むハビタブル惑星に、どれくらいの水がどのように供給されたのか？という問いは、惑星科学分野における重要なテーマの一つです。本研究は、円盤内の場所における惑星の種の成長率の違いが、多様な惑星系の姿に繋がることを明らかにしました。今後は、円盤内の場所における水供給量の違いや、惑星の種が成長中に円盤の内側・外側へと移動する可能性などを考慮することで、本研究はより現実的な惑星系形成論へと発展していくことでしょう。