降着 (天文学)

降着とは

降着（こうちゃく、英: accretion）とは、重力によって物質がより重い天体へと集積していく現象です。特に気体状の物質が降着円盤の中で重力に引かれ、中心の天体に取り込まれる過程を指します。この降着は、銀河、恒星、惑星といった宇宙に存在するほとんどの天体の形成において、非常に重要な役割を果たしています。

降着の歴史

降着という概念は、1944年にオットー・シュミットによって提唱された地球型惑星の形成モデルに端を発します。シュミットのモデルは、流星物質が降着することで地球のような惑星が形成されるという考え方を示しました。その後、ウィリアム・マクリーが原始[[惑星]]理論、マイケル・ウールフソンが捕獲理論を提唱し、さらに1978年にはアンドリュー・プレンティスがラプラスの惑星形成理論を現代的に発展させました。これらのモデルは、天体形成のメカニズムを解き明かす上で重要な役割を果たしましたが、当時は記述的なものが多く、定量的な理論は不十分でした。

1969年、ヴィクトル・サフロノフがシュミットの降着モデルを定量的に発展させ、地球型惑星形成の各段階を詳細に計算しました。以降、微惑星の集積に関する数値シミュレーションが進み、降着理論は大きく進歩しました。現在では、星間物質が重力収縮して恒星が形成されるというモデルが広く受け入れられており、分子雲が収縮して降着円盤を形成し、中心に恒星が誕生するという考え方が主流です。

様々な天体における降着

銀河の降着

宇宙が誕生してから数十万年後、宇宙は原子が形成できる温度まで冷却されました。さらに膨張が進み温度が下がると、原子は運動エネルギーを失い、ダークマターが合体して原始銀河が形成されました。その後の降着により、銀河はさらに成長していきました。銀河の成長には、銀河同士の合体やガス円盤からの円滑なガスの降着が関与しています。また、銀河内部でも降着が発生し、星形成を促していると考えられています。

恒星の降着

恒星は、巨大な分子雲が重力収縮することで形成されると考えられています。分子雲は数百万年かけて収縮し、密度が高く小さなコアを形成します。このコアがさらに収縮すると、原始星と呼ばれる天体が誕生します。原始星の周りには降着円盤が形成され、円盤内の物質が中心の原始星に降着していきます。この降着過程で、原始星は質量を増大させ、最終的に核融合を開始し、恒星として輝き始めます。

恒星の初期段階では、中心の原始星は重水素の核融合を始め、さらに質量が増えると水素核融合が始まります。質量が足りない場合は褐色矮星となります。降着円盤からの物質の落下が続くと、エンベロープは薄くなり透明になり、可視光で観測できるようになります。この段階の天体は、クラスIの原始星やおうし座T型星と呼ばれます。その後、エンベロープが完全に消失すると、原始星は降着円盤を持つ古典的Tタウリ星に進化します。古典的Tタウリ星は、降着による高温ガスの放出や磁気活動、変光、ジェットなどの特徴的な現象を示します。降着が終息すると、弱輝線Tタウリ星となり、最終的に通常の恒星へと進化します。

惑星の降着

惑星は、微惑星と呼ばれる小天体が衝突・合体を繰り返すことで形成されます。微惑星は、宇宙塵が凝集して形成されたと考えられています。初期段階では、ファンデルワールス力や電磁力などの微視的な力が粒子の集積を促進します。その後、重力が支配的になり、微惑星同士が衝突しながら成長し、原始[[惑星]]となります。原始[[惑星]]がさらに集積を繰り返すことで、惑星へと成長します。

特に、地球型惑星の形成では、金属や岩石などの固体成分が集積して形成されます。一方、木星型惑星は、氷の微惑星が集積し、さらに原始太陽系星雲から水素やヘリウムガスを獲得することで形成されます。この違いは、原始太陽系星雲の雪線に起因しています。微惑星の形成には、ペブルと呼ばれる小石サイズの粒子の集積が重要であり、ペブルの降着は惑星の形成速度を大幅に加速します。

小[[惑星]]の降着

小[[惑星]]は、降着と衝突が繰り返されることで形成されます。隕石の観測から、小[[惑星]]の主な成長過程は、コンドルールと呼ばれるミリメートル程度の大きさの液滴が降着することによって起こると考えられています。小[[惑星]]の質量が小さいのは、2 au 以遠でのコンドルール形成が非効率的であることや、原始星の近傍からのコンドルールの輸送が効率的ではないことが原因の一つと考えられています。

彗星の降着

彗星は、太陽系外縁部で形成されたと考えられており、その形成メカニズムには議論があります。有力な説では、彗星は、微惑星がゆっくりと降着を繰り返すことで形成されたとされています。彗星核は、氷の微惑星がゆるく結合したラブルパイル構造を持つと考えられています。彗星は、オールトの雲や散乱円盤に起源を持ち、太陽系内部に接近して観測されるようになります。

降着円盤

降着現象において重要な役割を果たすのが、降着円盤です。降着円盤は、回転するガスや塵の円盤であり、中心の天体に向かって物質を降着させるメカニズムを持っています。降着円盤は、原始[[惑星]]系円盤、周[[惑星円盤]]など様々な天体で観測されます。降着円盤内では、力学的摩擦などの作用により物質が角運動量を失い、中心の天体へと落下していきます。

現代的な降着理論

降着理論は、宇宙の様々な天体形成過程を理解する上で不可欠なものです。初期の降着モデルは記述的でしたが、サフロノフらによる定量的な理論の発展や、数値シミュレーションの進歩により、降着現象のメカニズムがより深く理解されるようになりました。現在では、降着円盤におけるガス力学や磁気流体力学の研究が進められており、降着現象の解明に向けてさらなる研究が行われています。

まとめ

降着は、宇宙のあらゆる場所で起こる普遍的な現象であり、銀河、恒星、惑星といった天体形成の根幹をなしています。降着メカニズムの理解は、宇宙の進化を解き明かす上で重要な鍵となります。