太陽のある中心から始めます。私たちの中年のスターは、ほとんどの人よりも穏やかかもしれませんが、それ以外は目立たない.ただし、その惑星は別の話です。
まず、水星：完全に成熟した惑星よりも内部が焦げており、おそらくずっと前の外傷的な衝突で外層を失っています。次に来るのは金星と地球で、いくつかの点で双子ですが、奇妙なことに、一方だけが肥沃です。それから、別の小さな世界である火星があり、水星とは異なり、層を失うことはありませんでした。成長が止まっただけです。火星に続いて、残った岩石の広い輪があり、その後状況が変化します。突然、木星ができあがりました。これは、私たちの星の創造から残された物質の大部分を含んでいる、事実上生焼けの太陽のような大きさです。その先には、さらに 3 つの巨大な世界 (土星、天王星、海王星) があり、ガスと氷でできています。 4 つの巨大ガス惑星は、ほぼ同時に、同じ物質から、同じ星の周りで形成されたにもかかわらず、4 つの岩石惑星とほとんど共通点がありません。太陽系の 8 つの惑星はパズルを提示します:なぜこれらなのか?
太陽の向こう、ずっと向こうを見渡してください。ほとんどの星は、独自の惑星を抱えています。天文学者は、これらの遠く離れた星と惑星のシステムを何千も発見しました。しかし奇妙なことに、彼らはこれまでのところ、私たちのものとほとんど似ていないものを見つけていません.パズルはますます難しくなっています:なぜこれらなのか、なぜそれらなのか?
太陽系外惑星の膨大なカタログは、遠く離れたほこりの多い惑星の苗床の観測や、私たち自身の太陽系からの新しいデータでさえも、惑星がどのように作られているかについての古典的な理論とはもはや一致しません.何十年も前のモデルを放棄せざるを得なくなった惑星科学者たちは、世界を作るための壮大で統一された理論が存在しない可能性があることに気付きました。 「物理法則はどこでも同じですが、惑星を構築するプロセスは非常に複雑であるため、システムは混沌としています」と、惑星形成と移動理論の第一人者であり、コートダジュール天文台の天文学者であるアレッサンドロ・モルビデリは述べています。ニース、フランス。
それでも、調査結果は新しい研究に活気を与えています。世界構築の混沌の中でパターンが出現し、天文学者を強力な新しいアイデアへと導きました。研究者チームは、ちりと小石の集合の規則と、合体後の惑星の移動方法を解明しています。各ステップのタイミングや、新進の惑星の運命を決定する要因について、激しい議論が繰り広げられています。これらの議論の結節点には、人間が自問してきた最も古い質問のいくつかがあります。ここのような場所は他にありますか?
スターとそのアコライトの誕生
天文学者は、太陽系の起源の基本的な概要を 300 年近くにわたって理解してきました。天文学に手を出した多くの啓蒙思想家と同様に、ドイツの哲学者イマヌエル・カントは、1755年に理論を発表しましたが、それは今でもほとんど正しいままです。 「私たちの太陽系に属する球体、すべての惑星と彗星を構成するすべての物質は、すべてのものの起源であり、その基本的な基本物質に分解されました」と彼は書いています.
実際、私たちはガスとちりの拡散した雲から来ています。 45 億年前、おそらく通過する星や超新星の衝撃波に押されて、雲が自らの重力で崩壊し、新しい星が形成されました。私たちが本当に理解していないのは、その後の状況です。
太陽が点火すると、余剰ガスがその周りを渦巻いた。最終的に、そこに惑星が形成されました。これを説明した古典的なモデルは、最小質量の太陽星雲として知られ、観測された惑星や小惑星帯を作るのに十分な量の水素、ヘリウム、およびより重い元素で満たされた基本的な「原始惑星系円盤」を想定していました。 1977 年にさかのぼるこのモデルは、今日私たちが見ている場所で惑星が形成され、小さな「微惑星」として始まり、イナゴが野原の葉をすべて消費するように、その領域にすべての物質を組み込むと仮定しました。
ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学の天体物理学者で、この分野に関する最近のレビューの章の著者である Joanna Drążkowska は、「モデルは、太陽円盤が微惑星で満たされているというこの仮定を何らかの形で行っていました」と述べています。 「人々はそれよりも小さな物体を考えていませんでした — ちりも小石もありません。」
天文学者は、微惑星が発生したのは、風が砂丘を形作るように、ガスによって押し出された塵の粒子が積み重なったためだと漠然と考えていました。古典的なモデルでは、微惑星が太陽系星雲全体にランダムに散らばっており、サイズの統計的分布は、物理学者がべき法則と呼んでいるもの、つまり大きいものよりも小さいものが多いことを意味します。 「ほんの数年前までは、誰もが微惑星が星雲全体にべき乗則で分布していると考えていましたが、今ではそうではないことがわかっています。」
この変化は、チリのアタカマ砂漠にある一握りの銀色の放物線のおかげです。 Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) は、生まれたばかりの星の周りのちり粒子など、低温のミリサイズの天体からの光を検出するように設計されています。 2013 年から、アルマ望遠鏡は、新しい星の周りのぼんやりした円盤に推定上の惑星が埋め込まれている、きれいに彫刻された幼年期の星系の驚くべき画像を撮影しました。
天文学者は以前、これらの円盤を、星から遠ざかるにつれて外側に広がる滑らかなハローとして想像していました。しかしアルマ望遠鏡は、土星の輪のように深くて暗い隙間のある円盤を示しました。アークとフィラメントを持つ他のもの。ミニチュア銀河のような渦巻きを含むものもあります。 「アルマ望遠鏡はフィールドを完全に変えました」と、コロラド州ボールダーにあるサウスウェスト研究所の天文学者である David Nesvorny 氏は述べています。
アルマ望遠鏡は、惑星形成の古典的なモデルを反証しました。 Drążkowska氏は、「私たちは今、それを拒否し、まったく異なるモデルについて考え始めなければなりません.観測は、塵が円盤全体にスムーズに分散するのではなく、塵が好むように特定の場所に集まり、そこで最も初期の惑星の胚が作られることを示しました。たとえば、一部の塵はおそらく、水が凍る星からの距離である「スノー ライン」に集まります。最近、カリフォルニア工科大学の天文学者である Morbidelli と Konstantin Batygin は、ケイ酸塩が蒸気ではなく液滴を形成する凝縮線でも塵が凝集すると主張しました。これらの凝縮線はおそらく交通渋滞を引き起こし、星に向かって塵が落ちる速度を抑制し、それが積み重なるのを可能にします.
「これは新しいパラダイムです」とモルビデリは言いました。
塵から惑星まで
ALMA が塵が発生しやすい場所を示す前から、天文学者は塵が惑星、特に巨大な惑星を形成するのに十分な速さで積み重なる方法を理解するのに苦労していました。幼少期の太陽を取り巻くガスは約 1000 万年以内に散逸し、木星はその時間枠内にそのほとんどを収集しなければならなかったことを意味します。つまり、太陽が点火した直後に塵が木星のコアを形成したに違いありません。木星へのジュノのミッションは、巨大な惑星がおそらくふわふわしたコアを持っていることを示し、それが急速に形成されたことを示唆しています.しかし、どのように?
2000 年頃から天文学者に明らかになっている問題は、乱気流、ガス圧、熱、磁場、およびその他の要因によって、ちりが太陽の周りをきちんと軌道を描いて周回したり、大きな塊になって漂ったりするのを妨げていることです。さらに、大きな塊は重力によって太陽に引き寄せられる可能性があります。
2005 年、当時プリンストン大学のアンドリュー ユーディンとジェレミー グッドマンは、塵の塊に関する新しい理論を発表しました。彼らは、太陽が点火してから数年後、星の周りを流れるガスが逆風を形成し、それが塵を塊に集めさせ、塊が星に落ちるのを防いだと彼らは主張した.原初のダストバニーがより大きく密度が高くなるにつれて、最終的には自分の重力でコンパクトな物体に崩壊しました.ストリーミング不安定性と呼ばれるこのアイデアは、ミリサイズのダスト粒子がどのようにして大きな岩石に急速に変化するかについて、現在広く受け入れられているモデルです。このメカニズムは、差し渡し約 100 キロメートルの微惑星を形成することができ、衝突によって互いに融合します。
しかし、天文学者たちは、木星のようなもっと大きな世界の創造を説明するのにまだ苦労していました.
2012 年、スウェーデンのルンド大学の Anders Johansen と Michiel Lambrechts は、小石の降着と呼ばれる惑星の成長のバリエーションを提案しました。彼らの考えによれば、ストリーミング不安定性によって生じた準惑星ケレスほどの大きさの惑星の胚は、急速に大きくなる。星周円盤の重力と抗力により、ちりの粒子と小石がこれらの天体の上に渦を巻き、雪玉が丘を転がり落ちるように急速に成長します。
小石の降着は現在、ガス巨大コアがどのように作られているかについて支持されている理論であり、多くの天文学者は、それらのアルマ望遠鏡の画像でそれが起こっている可能性があると主張しており、星が誕生してから最初の数百万年で巨大惑星が形成される.しかし、太陽の近くにある小さな地球型惑星との理論の関連性については、議論の余地があります。 Johansen、Lambrechts、および 5 人の共著者は昨年、内向きに漂う小石が金星、地球、火星、テイアの成長をどのように促進したかを示す研究を発表しました。しかし、問題は残ります。ロチェスター大学の天文学者、ミキ・ナカジマ氏によると、小石の降着は地球とテイアの衝突のような巨大な衝突について多くを語っていない。 「小石の降着は非常に効率的で、古典的なモデルの問題を回避する優れた方法ですが、惑星を作る唯一の方法ではないようです」と彼女は言いました.
モルビデリは、小石が岩石の世界を形成するという考えを拒否しています。その理由の 1 つは、地球化学サンプルが地球が長い期間にわたって形成されたことを示唆していることと、隕石がさまざまな年代の岩石から発生していることです。 「それは場所の問題だ」と彼は言った。 「プロセスは環境によって異なります。なぜですか？それは質的に理にかなっていると思います。」
ほぼ毎週、惑星の成長の初期段階に関する研究論文が発表され、天文学者は太陽系星雲の正確な凝縮点について議論しています。微惑星が惑星に落ちるリングで始まるかどうか。ストリーミングが不安定になったとき。小石の降着がいつ、どこで起こるか。地球がどのように作られたかについて、人々は同意できません。ましてや、遠く離れた恒星の周りに地球型惑星があることは言うまでもありません。
移動中の惑星
夜空の5つの放浪者 - 水星、金星、火星、木星、土星 - は、人類の歴史の大部分において、この世界以外に知られている唯一の世界でした.カントが星雲仮説を発表してから 26 年後、ウィリアム・ハーシェルは別のかすかな放浪者を発見し、それを天王星と名付けました。その後、1846 年に Johann Gottfried Galle が海王星を発見しました。それから 1 世紀半後、知られている惑星の数が突然急増しました。
1995 年、ジュネーブ大学のディディエ・ケロースとミシェル・マヨールが望遠鏡をペガスス座 51 番星と呼ばれる太陽のような恒星に向け、ぐらついているのに気づきました。彼らは、水星が私たちの太陽にいるよりも、それに近い巨大な惑星によって引っ張られていると推測しました.すぐに、これらの衝撃的な「ホット ジュピター」が他の星を周回しているのが見られました。
ケプラー宇宙望遠鏡が 2009 年にレンズを開いた後、太陽系外惑星の捜索が始まりました。ほとんどすべての星には、少なくとも 1 つ、おそらくそれ以上の星があります。ただし、ほとんどの惑星には、私たちが欠けている惑星があるようです。たとえば、ホットジュピターや、地球よりも大きく海王星よりも小さい中規模の世界のクラスは、「スーパーアース」または「サブネプチューン」と無造作に呼ばれています。太陽の近くに 4 つの小さな岩石惑星があり、遠くを周回する 4 つの巨大ガス惑星がある、私たちの星系に似た星系は見つかっていません。ミシガン州立大学の天文学者であるセス・ジェイコブソン氏は、「それは私たちの太陽系に特有のもののようです」と述べています.
根本的に異なる惑星のアーキテクチャを統合できる可能性があるアイデアであるナイス モデルを入力してください。 1970 年代、アポロ計画の宇宙飛行士によって収集された岩石の地球化学分析は、月が 39 億年前に小惑星によって破壊されたことを示唆しました。これは後期重爆撃として知られる推定イベントです。 2005 年、 この証拠に触発されて、モルビデリとニースの同僚は、木星、土星、天王星、海王星は、最古の太陽系星雲モデルが保持していた現在の場所で形成されたのではなく、約 39 億年前に移動したと主張しました。ニース モデル (理論が知られるようになった) では、巨大な惑星はその時に軌道を乱暴に変更し、小惑星の大洪水を内惑星に送りました。
後期重爆撃の証拠はもはや説得力があるとは考えられていませんが、ニース モデルは定着しています。 Morbidelli、Nesvornyらは現在、巨人はおそらくその歴史のもっと早い時期に移動し、グランドタックと呼ばれる軌道パターンでは、土星の重力が木星が太陽に向かって移動するのを止めた可能性があると結論付けています。
言い換えれば、複数の巨大な惑星が互いに抑制し合っている太陽系では幸運だった可能性があるため、太陽に向かってスイングして岩石の惑星を破壊するものはありませんでした.
コーネル大学の天文学者であるジョナサン・ルニンは、「そのプロセスを阻止する何かがなければ、主星のほとんどが巨大な惑星になってしまうだろう」と語った。 「内向きの移住は、孤立した巨大惑星の成長の必然的な結果なのだろうか?その移動を止めることができる複数の巨大惑星の組み合わせは何ですか?これは大きな問題です。」
また、モルビデリによれば、巨大惑星の移動の「タイミングについては激しい議論」があり、岩石惑星が成長した後に破壊すると脅迫するのではなく、岩石惑星の成長を実際に助けた可能性がある. Morbidelli は、太陽の形成直後の不安定な軌道構成が、岩石の残骸をかき立て、地上の世界を形成するのに役立った可能性があるかどうかを研究する 5 年間のプロジェクトを開始したところです。
結論として、多くの研究者は現在、巨大な惑星とその移動が、この太陽系やその他の岩石の兄弟の運命に劇的な影響を与える可能性があると考えています.木星サイズの世界は、小惑星を移動させるのに役立つかもしれないし、形成される地球上の世界の数を制限するかもしれない.これは、火星の身長が小さいことを説明するための主要な仮説です。火星はおそらく地球サイズまで大きくなりましたが、木星の重力の影響により、物質の供給が遮断されました。ケプラー望遠鏡によって研究された多くの星は、近くの軌道にスーパーアースを持っています。アリゾナ大学の大学院生であるレイチェル・フェルナンデス氏は、チームは2つの系外惑星タイプ間の相関関係と反相関関係の両方を説得力のある方法で示していると述べました。これは、確かなデータがまだ十分にないことを示しています。 「それは会議で本当に楽しいことの 1 つです」と彼女は言いました。 「あなたは、『ええ、お互いに怒鳴り合いますが、どちらの科学が優れているでしょうか?』というようなものです。あなたにはわかりません。」
跳ね返る惑星
最近、Jacobson は、Nice モデルの移行のタイミングを根本的に変える新しいモデルを思いつきました。 4 月に Nature に掲載された論文で 、彼、中国の浙江大学のベイベイ・リュー、フランスのボルドー大学のショーン・レイモンドは、巨大惑星が形成されてからわずか数百万年後に、ガスの流れのダイナミクスが巨大惑星の移動を引き起こした可能性があると主張しました。モデルであり、おそらく地球自体が出現する前.
新しいモデルでは、太陽が円盤内のガスを暖め、それを吹き飛ばして忘却に追いやるにつれて、惑星は「跳ね返り」、内外に移動しました。この跳ね返りは、赤ちゃんの巨大な惑星がガスの暖かい円盤に浸されると、星に近い高密度のガスに向かって内向きに引き寄せられ、遠く離れたガスから外向きに引き寄せられるために発生したと考えられます。内向きの引力が大きくなるため、赤ちゃんの惑星は徐々に主星に近づきます。しかし、ガスが蒸発し始めた後、星の誕生から数百万年後、バランスが変化します。恒星に対して惑星の反対側により多くのガスが残っているため、惑星は引きずり出されます。
リバウンドは「システムにとってかなり大きなショックです。非常に優れた配置を不安定にする可能性があります」とジェイコブソンは言いました。 「しかし、これは巨大な惑星の[特徴]を、それらの傾きと離心率の観点から説明する素晴らしい仕事をしています。」また、他の恒星系で見られるホット ジュピターが不安定な軌道上にあり、おそらくリバウンドする可能性があるという証拠も追跡しています。
凝縮線、小石、移行、およびリバウンドの間で、複雑なストーリーが形成されています。それでも、今のところ、いくつかの答えが隠れている可能性があります。惑星探査天文台のほとんどは、主星の近くを周回する惑星を見つける検索方法を使用しています。 Lunine は、プラネット ハンターが天体観測、つまり宇宙を通る星の動きの測定を使用して、遠くを周回する世界を明らかにすることを望んでいると述べました。しかし、彼と他の人々が最も興奮しているのは、2027 年に打ち上げ予定のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡です。ローマンはマイクロレンズを使用して、背景の星からの光が前景の星とその惑星の重力によってどのようにゆがむかを測定します。これにより、望遠鏡は地球と土星の間の軌道距離にある惑星を捉えることができます。これは「スイート スポット」です。
Nesvorny氏は、モデラーは引き続きコードをいじくり回し、微惑星が合体する場所で役割を果たす可能性のある粒子分布、氷の線、凝縮点、およびその他の化学のより細かい点を理解しようとするだろう. 「それを詳細に理解するには、今後数十年かかるでしょう」と彼は言いました。
時間は問題の本質です。人間の好奇心は無限かもしれませんが、私たちの人生は短く、惑星の誕生は何十年も続きます。プロセスの展開を見る代わりに、さまざまな時点からのスナップショットしかありません。
カリフォルニア工科大学の天文学者であるバティギンは、惑星をリバース エンジニアリングする骨の折れる努力を、単純な動物であってもモデル化しようとすることに例えました。 「アリは星よりもはるかに複雑です」とバティギンは言いました。 「星を非常に詳細に捉えるコードを書くことは完全に想像できます」が、「アリの物理学と化学をモデル化して、すべてを捉えることを望むことはできません。 …惑星の形成において、私たちはアリと星の間のどこかにいます。」
