星周円盤

星周円盤とは

星周円盤とは、恒星の周囲に存在する円盤状の構造物であり、ガス、塵、微惑星、小[[惑星]]、その他天体の破片など、多様な物質から構成されています。これらの円盤は、恒星の誕生からその終末まで、さまざまな段階で形成され、それぞれ異なる特徴を持っています。

星周円盤の形成と進化

若い恒星の周り

恒星が誕生する際、巨大分子雲の一部が重力で収縮し、若い恒星（原始星）が形成されます。この過程で、角運動量を持つ物質が恒星の周囲に集積し、原始[[惑星系円盤]]と呼ばれる円盤状の構造を形成します。この円盤は、主にガスと塵で構成され、中心の恒星へと物質を供給し続けます。降着現象は約数百万年続き、円盤内では塵粒子が凝縮して微惑星となり、最終的には惑星系が形成されます。質量が小さいおうし座T型星では円盤が当たり前に見られますが、質量が大きいハービッグAe/Be型星|ハービッグAe_Be型星でも円盤形成が可能であることが近年の研究で明らかになりました。

主系列星の周り

恒星が主系列段階へ進化すると、星周円盤は主に光蒸発によって徐々に消滅していきます。この段階の星周円盤は遷移円盤と呼ばれます。細かい粒子はポインティング・ロバートソン効果や放射圧で失われ、残骸円盤には天体衝突で発生した塵が供給されます。また、Be星の周りには、原始[[惑星系円盤]]とは異なるメカニズムで形成された円盤も存在します。

太陽系の例

太陽系内にも星周円盤の名残があります。火星と木星の間にある小[[惑星]]帯は、惑星間塵の起源であり、海王星軌道外のエッジワース・カイパーベルトや、その外側に広がる散乱円盤も、星周円盤の名残と考えられます。さらに、オールトの雲内縁部にはヒルズの雲が存在します。

主系列後の段階

主系列後の段階にある恒星の周りの星周物質は、中心星からの質量放出によって形成されます。初期には球対称に近い構造をしていますが、進化が進むと回転楕円体や双極流のような軸対称構造を示すようになります。漸近巨星分枝（AGB）後の恒星では、星周円盤の直接的な証拠が見つかっており、連星系では円盤構造がより顕著になります。

終末期

白色矮星の周囲には、塵でできた星周円盤が見つかることがあります。これらは、かつて惑星系を形成していた天体の残骸と考えられます。また、白色矮星、中性子星、ブラックホールなどのコンパクト星の周りには、ガスが回転しながら降着する降着円盤が形成されます。

連星系

連星系では、ガスが降着する際に星周円盤や周連星円盤が形成されます。連星系における円盤には、主星周りの円盤、伴星周りの円盤、連星全体を取り巻く周連星円盤の3種類があります。円盤は連星系の公転面に沿って形成されることが多いですが、バーディーン-ペッテルソン効果や磁場、放射圧、潮汐力などによって、捻じ曲がったり傾いたりすることもあります。

星周円盤の進化段階

星周円盤は、進化の段階によって、構成する物質の大きさやガス量によって分類されます。

分類方法

粒子の大きさによる分類: 微粒子が主成分の段階、粒子が成長した段階、微惑星となった段階、惑星系が形成された段階に分けられます。
ガス量と星形成理論による分類: 原始[[惑星系円盤]]、遷移円盤、残骸円盤の3段階に分類されます。

各段階の特徴

原始[[惑星系円盤]]: ガスや塵などの始原的な物質が豊富で、惑星形成の可能性が高い円盤です。
遷移円盤: ガスや塵が減少し、原始[[惑星系円盤]]と残骸円盤の中間に位置する円盤です。円盤の中心に穴ができることもあります。
* 残骸円盤: 微惑星や細かい塵、衝突で生じたガスなどからなり、ガスは少ないか、存在しない場合もあります。

星周円盤の散逸過程

星周円盤は、進化とともに物質が散逸していきます。散逸過程を調べることは、星周円盤の寿命や進化の時間尺度を知る上で重要です。遷移円盤での観測から、星周円盤の平均寿命は約1000万年と見積もられています。散逸のメカニズムには、塵の不透明度の低下、光蒸発、巨大惑星の力学的影響などが考えられています。散逸過程は比較的短期間で起こり、内側から外側に向かって急速に進行すると考えられています。

星周円盤の力学的進化

星周円盤は平衡状態ではなく、その状態は時間とともに変化します。円盤の面密度は、粘性によって変化し、角運動量が外側に輸送されることで、質量は中心の天体へと降着します。この質量降着率は、粘性や円盤の内径によって決まります。

まとめ

星周円盤は、恒星の誕生から終末まで、さまざまな段階でその姿を変えながら存在する天体です。惑星系形成の場として、その進化過程を理解することは、宇宙の成り立ちを解き明かす上で非常に重要です。

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