50 年前、大統領執務室で、リチャード ニクソンは彼が「これまでで最も歴史的な電話」と呼んだことを行いました。ヒューストンは彼を月面の男たちに渡した。ニール・アームストロングは、「米国だけでなく、すべての国の平和を代表し、関心と好奇心と将来へのビジョンを持ってここにいることは、私たちにとって大きな名誉であり特権です」と述べました。情熱と理性を駆使した大胆な偉業であるアポロ計画は、単なる見せ物ではありませんでした。 1969 年に月に到達し、ジョン F. ケネディが 7 年前に月に行くという約束を果たしたのは、簡単ではなく困難だったからです。
宇宙飛行士が地球に持ち帰ったサンプルは、月の起源に関する私たちの理解に革命をもたらし、科学者は私たちの惑星とその仲間がどのように出現したかについての新しいモデルを想像するようになりました.それらの科学者の 1 人は、カリフォルニア大学デービス校の惑星物理学者であるサラ T. スチュワートです。昨年、彼女は地球の月の起源に関する研究で、非公式には「天才助成金」として知られるマッカーサー財団フェローシップを獲得しました。彼女の理論は、何十年にもわたって支持されてきた理論をひっくり返します。
スチュワートの大胆なビジョンは、イリノイ州オーファロンの高校で植えられた科学への愛から生まれました。 「私には驚異的な数学と物理の教師がいました」と彼女は言いました。 「だから、大学に行ったとき、私は物理学を専攻したかったのです。」彼女が天文学と物理学を学んだハーバードで、「私は素晴らしい科学者に出会い、それがキャリア全体に火をつけました。」彼女は博士号を取得しました。
ノーチラス は昨年スチュワートに、アポロ月面着陸の科学的重要性と、惑星衝突の圧力と温度を再現する彼女の実験室での実験が月の誕生の彼女のモデルにどのように情報を与えたかについて話しました.
アポロの月面着陸は科学にとってどれほど重要でしたか?
今年の 7 月は、アポロの月面着陸から 50 周年を迎えます。アポロ計画が持ち帰った岩石サンプルは、月の起源に関するこれまでの考えを根本的に覆しました。アポロの結果が出る前、ヴィクトル・サフロノフというロシアの天文学者は、惑星がどのように成長するかのモデルを開発していました。彼は、それらがこれらの亜惑星または原始惑星サイズの物体に成長し、その後衝突することを発見しました。その後、いくつかの異なるグループが、巨大な衝突が地球の周りに円盤を作り、そこから月が降着したと独自に提案しました。過去 50 年間で、そのモデルは定量的で予測的なものになりました。シミュレーションは、月は主に原始地球に衝突した物体から作られるべきであることを示しました。しかし、アポロ計画は、月が事実上、主要な元素と同位体比において地球、特にそのマントルの双子であることを発見しました。異なる重さの元素は指紋のようなもので、同じ存在量で存在します。地球と月を除いて、太陽系のすべての小さな小惑星と惑星は異なるフィンガープリントを持っています。つまり、ジャイアント・インパクト仮説は間違っていた。これは科学がどのように機能するかについての教訓です。まだ反証されていない代替モデルがなかったため、ジャイアント インパクト仮説は長い間存続していました。
月の誕生に対するあなたの提案はどのように異なりますか?
ジャイアントインパクトを変更しました。そして、それを変更することで、元の制約の 1 つを明確に削除しました。元のジャイアント インパクトは、地球の 1 日の長さを設定するために提案されました。これは、角運動量 (直線運動量に相当する回転) が保存される物理量であるためです。時間を遡ると、月は地球に近づきます。月が成長したとき、地球は 1 日 5 時間で自転していたはずです。ジャイアント インパクト モデルはすべて、ジャイアント インパクト直後の地球が 1 日 5 時間かかるように調整されています。私たちがしたことは、「では、月が形成された後に角運動量を変える方法があったとしたら?」ということでした。それは、太陽との動的な相互作用によるものでなければなりません。これが意味することは、地球の自転をはるかに速く開始できるということです。私たちは巨大な衝突の後、地球が 1 日 2 時間から 3 時間経過したモデルを調査していました。
自転の速い地球はモデルにどのような影響を与えましたか?
驚くべき新しいことは、地球が熱く、蒸発し、速く回転しているとき、それはもはや惑星ではないということです.それを超えると地球のすべての物質が、完全に回転する物体に物理的にとどまることができない境界があります。これを共回転限界と呼びます。共回転の限界を超えた物体は、接続された構造を表すことを意図したギリシャ語由来の単語である synestia と名付けた新しいオブジェクトを形成します。シネスティアは、惑星に円盤を加えたものとは異なるオブジェクトです。それは異なる内部ダイナミクスを持っています。この高温の気化状態では、円盤内の高温のガスが惑星に落下することはありません。惑星にはそのガスを押し出す大気があるためです。最終的に起こるのは、シネスティアを形成する岩石蒸気が宇宙への放射によって冷却され、シネスティアの外側の部分でマグマの雨を形成し、そのマグマの雨が降着して岩石蒸気の中で月を形成し、それが後に冷却されて地球になるということです。 .
シネスティアのアイデアはどのように思いついたのですか?
2012 年、Matija Ćuk と私は、月の起源の高スピン モデルである論文を発表しました。衝突イベントを変更しましたが、衝突後、状況がまったく異なることに気付きませんでした。シミュレーションから抽出したものではありませんでした。 2 年後、生徒のサイモン ロックと私が異なるプロットを調べていたとき、同じシミュレーションからこれまで作成したことのないプロットを見て、次に起こったことを間違って解釈していたことに気付きました。私たちが一緒に座って、円盤が衝突後に地球の周りでどのように進化するかについて話し、それが標準的な円盤ではないことに気付いた、正真正銘のエウレカの瞬間がありました。これらのシネスティアはおそらく、人々のコンピューター システムにかなり長い間留まっており、実際に別のものとして認識されることはありませんでした。
シネスティアの大きさは月の現在の軌道を超えていましたか?
もっと大きかったかもしれません。正確にどれくらいの大きさかは、イベントのエネルギーと回転の速さによって異なります。さまざまなシネスティアが月を作る可能性があるため、月を作るための正確な制約はありません。
どのくらいの間、地球は共生状態にありましたか?
シナスティアは非常に大きかったが、長くは続かなかった。岩石蒸気は非常に熱く、太陽系の私たちがいる場所は太陽から十分離れているため、平均気温は岩石蒸気よりも低いため、シネスティアは非常に急速に冷却されます。そのため、通常の惑星のように見えるまでには、1000 年ほどかかる可能性があります。それが正確にどのくらい続くかは、地球の周りの太陽系で他に何が起こっているかによって異なります.長寿命の物体であるためには、星に非常に近い必要があります。
原始地球に衝突した物体のサイズは?
さまざまな質量比、衝突角度、衝突速度により、月を作るのに十分な質量と角運動量を持つシナスティアが作成される可能性があるため、わかりません。何が私たちを襲ったのかを正確に知ることができるかどうかはわかりません。可能性を制限する方法があるかもしれません。そのための 1 つの方法は、地球の奥深くを調べて、このイベントがどれくらいの規模であったかについての手がかりを探すことです。深部マントルからの化学トレーサーは、月形成イベントによってさえ、地球が完全に溶けて混合されなかったことを示しています.それらは、コアとマントルの境界近くから、マントル全体を通って地表まで、マントルプルームと呼ばれることもある海洋島玄武岩と呼ばれるものを通って地表に到達します。大きすぎることに対する制約として使用できる可能性があります。地球と月は 2 つの天体のマントルが非常に似ているため、これを使用して何が小さすぎるイベントかを判断できます。これにより、多くの異なる影響構成によっておそらく満足できる範囲が得られます。
共感覚を形成するにはどれくらいのエネルギーが必要ですか?
ジャイアントインパクトはとてつもなくエネルギッシュな出来事です。衝撃の運動エネルギーで表したイベントのエネルギーは、数時間かけて放出されます。関連する力は、太陽の力、または光度に似ています。太陽のエネルギーをこの惑星に投じたばかりの地球が、地球のように見えるとは本当に考えられません。
シネスティアはどのくらい一般的ですか?
私たちは実際に、岩石惑星の形成中にシネスティアがかなり頻繁に起こるべきだと考えています。私たちは巨大ガス惑星を見ていません。それらで起こるいくつかの異なる物理学があります。しかし、地球のように成長している岩体については、どのくらいの頻度でシネスティアが発生するかの統計を推定しようとしました。おそらく宇宙のどこにでもある地球質量体の場合、その体は成長中に少なくとも一度はシネスティアです。体が大きくなるにつれて、シネスティアを作る可能性が高くなります。スーパーアースも、ある時点でシネスティアになるべきだった.
あなたは、惑星形成中に到達したすべての圧力と温度が、現在研究室でアクセスできると言っています。まず、圧力と温度の大きさを教えてください。次に、研究室でそれらにアクセスする方法を教えてください。
地球の中心は数千度で、数百ギガパスカルの圧力があり、地表の約 300 万倍の圧力があります。木星の中心はさらに高温です。木星の中心の圧力は、天体が互いに衝突しているため、巨大な衝突中に一時的に到達する可能性があります。巨大な衝突と木星の中心は、惑星形成中に達した圧力と温度の限界に近づいています。つまり、数万度であり、地球の圧力の 100 万倍です。これを再現するには、圧力と温度がこれらの振幅に達する衝撃波を生成するために、エネルギーを岩石または鉱物に非常に迅速に投じる必要があります。私たちは地球や岩石惑星で主要な鉱物を使用しているため、鉄、石英、フォルステライト、エンスタタイト、およびそれらのさまざまな合金組成を研究してきました。木星の水素ヘリウム混合物や、天王星と海王星の氷を研究した人もいます。私の研究室には、基本的に大砲である軽ガス銃があります。また、圧縮水素を使用すると、金属製のフライヤー プレート (文字通り薄い円盤) を秒速約 8 km で打ち上げることができます。地球の中心部の圧力には到達できますが、巨大な衝突の範囲や私の研究室では木星の中心には到達できません。しかし、磁力を利用して金属板を発射する大きなコンデンサーであるサンディア Z マシンは、秒速 40 キロメートルに達することができます。また、ローレンス リバモア国立研究所の国立点火施設レーザーを使用すると、木星の中心の圧力に到達できます。
撃たれたフライヤー プレートはどうなりますか?
対象物は気化して再び冷やされて塵になるだけです。それらは非常に破壊的な実験です。波自体とその進行速度を数十ナノ秒以内にリアルタイムで測定する必要があります。圧力に変換できること。私のグループは、温度を測定し、相境界を見つける方法の開発に多くの時間を費やしてきました。月の起源につながった研究は、地球の物質を蒸発させるのに何が必要かを研究し、岩石の沸点を決定することでした。何かがいつシネスティアになるかを計算するために、いつ蒸発するかを知る必要がありました。
実験結果をどのように利用していますか?
私たちのコードで実行されるのは、単純化されたバージョンの惑星です。私たちの実験では、単純化された惑星をシミュレートして、より複雑な化学システムを推測できます。平均的なシステムの圧力-温度を決定したら、実際の惑星の多成分化学について、より詳細な質問をすることができます。昨年発行された月刊誌には、大きく 2 つのセクションがあります。ジャイアントインパクトの単純化されたモデリングを行うもので、シネスティアの圧力と温度の範囲が得られます。次に、これらの高圧と高温で始まり、冷却するシステムの化学を調べる別のものですが、現在は地球のより現実的なモデルを使用しています.
Brian Gallagher は Facts So Romantic の編集者です。 Nautilus ブログ。 Twitter @BSGallagher で彼をフォローしてください。
