非常によく似た 2 つの隣人が遺伝子検査を受けると想像してみてください。この検査は、ペアの遺伝子指紋が実質的に同一であることを示しています。彼らは一瞬のショックと興奮を感じます。これは何を意味するのでしょうか？彼らは長い間行方不明だった双子で、病院の取り違えで別れたのでしょうか?
地球と月は同様の問題を共有しており、主要な科学的謎を突きつけています。同位体レベル (岩石の「遺伝的」レベル) では、地球と月は本質的に同一です。岩石と鉄の相対量は異なりますが、地球と月の岩石は、いくつかの異なる元素で同じ同位体特性を共有しています。最も研究されているのは酸素です。この同位体の類似性は、何十年も科学者を困惑させてきました。それは月の起源について何かを意味しているに違いありませんが、正確には 何 ?
過去 1 世紀にわたって、天文学者は月がどのように形成されたかについていくつかの理論を考え出しました。おそらく、月は地球に重力で捕らえられた放浪惑星でした (捕獲 仮説）。おそらく、発生期の地球は非常に速く自転していたため、月にバーフィードが発生しました (核分裂 仮説）。あるいは、若い地球が別の成長中の惑星に衝突され、これが月を生み出したのかもしれません (巨大な衝突 仮説）。近年、これらのアイデアの 3 番目が優先モデルとして引き継がれています.
巨大衝突理論は、若い太陽の周りのガスと塵の円盤から合体した太陽系全体の形成について私たちが知っていることを反映しています。地球と他の惑星は、塵の粒子から始まり、惑星サイズの物体間の大規模な衝突で最高潮に達する一連の衝突で成長しました.成長中の地球を巻き込んだ最後の巨大な衝突は、惑星の周りの軌道に岩石の残骸の円盤を作成することによって月を生み出した可能性があります.巨大衝突モデルは非常に人気が高く、衝突に関与した 2 つの天体には 原始地球 という名前さえあります。 （地球の始祖）とテイア (月の母であったギリシャの女神にちなんで名付けられた衝撃体)。
この 2 つの体をよりよく理解するには、その遺伝学を調べる必要があります。ここで「遺伝的」情報とは、特定の元素のさまざまな同位体の精巧な地球化学的測定値を指します。酸素は、O、O、および O の 3 つの安定同位体を持っているため、特に有用です。つまり、異なる同位体の相対的存在量がほぼ同じです。 2014 年に初めて測定されたわずかな差は、10 億分の 12 レベルでした .地球と火星の酸素同位体の違いは、約 30 倍 (約 300 ppb) です。
ジャイアント・インパクト理論では、原始地球とテイアは異なる酸素同位体の特徴を持っていたと一般的に考えられている。これは、各惑星の特徴がその軌道によって決定されるためです。おそらく、ほぼ同一の署名を得る唯一の方法は、2 つの惑星がほぼ同じ軌道上で形成されることであり、これは、惑星がどのように成長すると考えられているかには適合しません。では、地球とテイアの指紋が異なる場合、なぜ地球と月は同じ指紋を共有するのでしょうか?
この問題にはいくつかの潜在的な解決策がありますが、定義上、非常にありそうもない「ちょうどいい」条件が必要です。考えられる解決策の 1 つは、原始地球とテイアが均等に混ざり合って月が形成されたというものです。しかし、コンピューターシミュレーションは、ほとんどの衝突で、月が合体した破片の円盤はテイアからの物質が支配的であり、原始地球からの寄与が10〜40％であることを示しています。もう1つの考えられる解決策は、衝突後に月を形成する円盤が地球と化学的に平衡になったことです。この平衡は確かに起こるはずですが、現在の計算では、月を作るのに必要な時間よりもはるかに長い時間がかかることが示唆されています.
Nature の 4 月 9 日号 、Alessandra Mastrobuono-Battisti、Hagai Perets、および私は、この長年のパズルに対する新しい解決策を提案します。前提は単純です。Theia と原始地球がすでに同じ化学組成を共有していたらどうなるでしょうか。もしそれが本当なら、巨大衝突シナリオはできなかった 避ける 地球と同じ組成の月を形成しています。
このアイデアをテストするために、私たちは地球やその他の岩石惑星の形成に関する一連のコンピューター シミュレーションを使用しました。シミュレーションは、若い太陽を周回する何千もの岩体を含む円盤の軌道を追跡しました。小さな天体が衝突し、約 1 億年かけて成長し、地球と他の 3 つの地球型惑星に似た惑星を形成しました。
各シミュレーションにより、地球の「アナログ」、つまりほぼ適切なサイズで地球とほぼ同じ軌道にある惑星が生成されました。シミュレートされた各惑星の系図を、その構成体である「摂食地帯」を調べることで追跡しました。非常に近い軌道上の物質、本質的には狭い環からのみ形成された狭い摂食帯を持つ惑星。対照的に、広い栄養ゾーンを持つ惑星は、非常に異なる軌道、つまり広い円盤で始まった物体との衝突によって成長しました.
惑星の化学的指紋は、惑星が成長したすべての天体の指紋の合計です。言い換えれば、惑星の摂食地帯がその化学的特徴を決定します。シミュレートされた地球の類似体のそれぞれの成長を調べました。特に重要だったのは、原始地球とテイアの間のような衝突である、各惑星の最後の巨大な衝突でした。衝突前後のこれらの物体の摂食ゾーンを計算しました。ここが興味深いところです。
驚くべきことに、原始地球とテイアの類似体はしばしば同様の摂食地帯を共有していることがわかった.衝突する前に、それらはビルディング ブロックの同様の分布から成長していました。これはすべてのシミュレーションで発生したわけではありませんが、約 4 分の 1 の確率で発生する確実な現象でした。つまり、テイアと原始地球は、衝突する前にすでに同じ同位体 (遺伝子) フィンガープリントを持っていた可能性があるということです。地球と月も指紋を共有する必要があるのは理にかなっています。隣人が同じ遺伝学を共有しているのは、長い間行方不明だった双子だからではなく、彼らの先祖が同じ古代集団の似たような組み合わせだったからです.
私たちのシミュレーションでは、テイア類似体の摂食地帯は、ほとんどの場合、他の近くの惑星よりも原始地球にはるかに似ていました。火星は地球や月とは非常に異なる同位体フィンガープリントを持っているため、これは話にうまく適合します。
パズルの最後のピースは、シミュレーションを使用して、惑星の実際の同位体特性を計算することです。地球と月が実際に 10 億分の 1 レベルで同じであることを確認するため。開始条件が何であったかがわからないため、これは注意が必要です。太陽の惑星を形成する円盤の化学勾配は何ですか?私たちは単に知りません。単純な仮定を行うと、かなりの部分 (約 10 ～ 25%) のシミュレーションで良好な一致が得られることがわかりました。 Nathan Kaib と Nick Cowan による別の研究では、原始地球と Theia が地球と月を再現するのに十分なほど類似していたのは無理があるという別の結果が見つかったため、このステップについてはいくつかの議論があります。 2 つのグループの違いは微妙ですが、重要であり、それらを整理するために取り組んでいます。
それで、あなたはそれを持っています。地球と月の類似した同位体フィンガープリントは、原始地球とテイアがすでに共通の遺伝的祖先を持っていたことを示している可能性があります。それらは同じ原材料から成長したため、ジャイアント・インパクトの前の化学的特徴は同じでした。私たちは惑星遺伝学のおかげでこれを知っています。
Sean Raymond は、惑星系の形成と進化を研究している天文学者です。また、planetplanet.net でブログを書いています。
