私たちは風に舞うほこりにすぎません。惑星、小惑星、彗星についても同じことが言えます。私たちの太陽系は、塵に覆われた始まりから、重力とその他のさまざまな力が共謀して構築されました。その壮大で多忙なプロセスがどのように見えたに違いないかを理解しようとする由緒ある伝統があります.今日、科学者は洗練されたシミュレーションの助けを借りて、太陽系がどのようにして現在のようになったかを示すモデルを綿密にいじることができます。新しい自然天文学で ペーパーに基づいて、これまでで最も説得力のあるアイデアのいくつかを構築することにより、一歩前進します。
これは長い間魅力的な課題でした。ドイツの大物哲学者イマヌエル・カントとフランスで最も重要な科学理論家の 1 人であるピエール・ラプラスは、どちらも 18 世紀の思想家であり、すべては若い太陽の周りを回る塵とガスの円盤から始まったと考えていました。その後、約 1 世紀前に、トーマス・チェンバレンとフォレスト・モールトンは別の考えを提案しました。惑星は微惑星と呼ばれる都市から郡ほどの大きさの岩体から形成されたというものです。どちらの考えも基本的に正しいことがわかります。今日、NASA の望遠鏡からの画像を 1 時間かけて見ることができます。これを読んでいると、天文学者が惑星を形成していると疑う若い星の周りの円盤が明らかになります。小惑星と彗星は、岩石と氷の微惑星が太陽系全体で形成された証拠です。
惑星は、太陽の周りのガス円盤内にある微惑星の 3 つの別々のリングから形成されたと提案しています。このモデルは、他の星の周りの惑星円盤も理解しており、それらを太陽系の惑星や小惑星の軌道、隕石の化学測定と結び付けています。なぜ微惑星の輪なのか?この概念は、太陽系を遠くから見て、惑星を構成する質量が広がっていることを想像すると、意味を成し始めます。ほとんどすべての岩石物質は、金星と地球の軌道の間に集中し、金星に近い質量はほとんどありません。太陽から少し離れたところにある木星と土星は、太陽系の外側に向かって先細りになる膨大な量の質量を構成しています。しかし、これらのリングの特性を決定するものは何ですか?
微惑星は、ガスが支配する円盤内の特定の場所に十分な量の塵が集まっている場合はいつでも自然に合体できます。ダスト粒子は、ダスト粒子の衝突で成長し、サイズが約 1 ミリに達すると、風に逆らって自転車で走っているかのような抵抗を感じ始めます。これにより、大きな塵の粒子が太陽に向かって内側に漂います。モデリングは、ディスク内にダストの「トラップ」が存在することを示しており、局所的なガス圧の隆起に関連しています。
科学者は、惑星を形成する円盤の画像で、そのようなリング状のトラップをよく見ます。チリの ALMA (Atacama Large Millimeter Array) 望遠鏡で撮影された上の画像でいくつかを見ることができます。ダスト トラップは、特定の重要な分子の蒸発と凝縮に関連している可能性があります。私たちのモデルでは、これらは最終的にケイ酸塩岩、水、一酸化炭素であり、これらは 3 つの最強のトラップに関連しています。これらの元素の凝縮温度は、絶対零度より 30 度高い (一酸化炭素の場合) から 1500 度 (ケイ酸塩の場合) に及びます。それぞれは、星からの与えられた軌道距離に対応しています。漂流する塵が円盤内のこれらの場所のそれぞれに積み重なり、微惑星のリングを生成します。これらの 3 つのリングは、私たちのモデルでは、惑星のビルディング ブロックです。
各リングを太陽系の特定の領域に直接接続できます。それはかなりきれいです。私たちのシミュレーションでは、内輪には岩石微惑星の地球の 2 ～ 3 倍の質量が含まれています。金星と地球という 2 つの最も大規模な地球型惑星は、この輪の中で形成されました。火星と水星はリングの外に散らばり、成長が妨げられました。火星は主にリングの外側部分の物質から成長しました。これは、火星と地球の化学的な違いをうまく説明しています (地球はあるグループの隕石に、火星は別のグループに組成が似ています)。
私たちのシミュレーションでは、中央の環が最も重く、微惑星で 50 から 100 の地球の質量があります。質量が地球の 10 ～ 20 倍の巨大な惑星は、塵や他の微惑星と衝突することによってリング内で急速に成長します。これらは、重力のおかげで、円盤からガスを取り込み、木星と土星に成長します。天王星と海王星の氷の巨人もこのリングの周辺で形成されましたが、それらの成長が遅いため、より多くのガスを取り込むことができませんでした。
そして小惑星帯？それは内輪と中輪の間にあります。私たちのシミュレーションでは、宇宙の「難民キャンプ」と考えることができます。太陽系全体で形成された天体が含まれていますが、ベルト内では形成されていない可能性があり、微惑星はほとんど生成されず、まったく生成されないこともあります。これは、観測された軌道分布と、さまざまな種類の小惑星に関連する隕石から推測されるベルト全体の化学的勾配と一致しています。現在のベルトには、合計で地球質量の 0.05% 未満しか含まれておらず、岩石惑星の成長中に内輪から外側に散乱した微惑星と、ガスの成長中に中央輪から内側に散乱した微惑星で構成されています。 -そして氷の巨人。
微惑星の外輪は、現在のカイパーベルトに対応し、海王星の軌道を超えた小さな氷の天体の集団です。私たちのシミュレーションでは通常、微惑星で 20 から 30 の地球の質量が生成されますが、これは現在のカイパー ベルトよりも 2 桁大きく、巨大惑星の現在の軌道を説明するために外側のベルトに必要な質量の量と都合よく一致します。
つまり、私たちの 3 リング モデルは、太陽系の軌道構造と呼べるものを再現しています。これらの同じプロセスが他の太陽系外惑星系の多様性を説明できるとしたら、それは印象的です.
他の星の周りの惑星形成円盤は遍在しており、さまざまな特性のスペクトルを持っていますが、微惑星リングは体系的に形成されるはずです。すべての星の約 30% が、内輪または中輪内の微惑星から形成されている可能性がある、超地球または海王星亜惑星に近接しています。ガスが円盤から消える前に、惑星が火星のサイズ (地球の質量の約 10%) に達すると (数百万年かかる場合があります)、らせん状の密度波が発生します。これにより、惑星の軌道が中心星に向かって収縮または移動します。これは、岩石惑星の成長が遅すぎるため、太陽系が回避した可能性が高い結果です。巨大ガス惑星は、最も自然に中央の環から形成されるはずであり、実際、ほとんどの巨大な太陽系外惑星は、スーパーアースよりも広い軌道上で発見されていますが、それでも木星よりも地球の軌道に近くなっています (おそらく適度な移動のため)。
古い微惑星仮説の支持者の 1 人であるモールトンはかつて、この考えがラプラスが持っていた塵の円盤とはまったく異なることを強調しました。 「ギャップ」と彼はScienceの1928年号に書いた 、「これらの異なる属の知的構造の間は、異なる属の生物の間のものと同じくらい深遠であり、橋渡しするのは困難です。」ご想像のとおり、彼はそれについてかなり間違っていました。私たちの 3 環モデルは、それらのアイデアを他のいくつかのアイデアと一緒に橋渡しまたは合成して、生命へのアナロジーにこだわるモールトンが複雑なキメラと呼んだかもしれないものを作成します。モデルのフランケンシュタインの怪物。有用である限り、それで問題ありません。
ショーン・レイモンドは、フランスのボルドー天体物理学研究所で働くアメリカの天体物理学者です。彼はまた、サイエンスとフィクションのインターフェース (planetplanet.net) でブログを書いており、最近、天文学の詩の本を出版しました.
アンドレ・イジドロは、ライス大学地球環境惑星科学科の博士研究員です。
Rajdeep Dasgupta は、ライス大学地球環境惑星科学科の宇宙化学者です。彼は、実験岩石学チームと CLEVER-Planets プロジェクトを率いています。
先行画像:ミリサイズの塵に敏感なチリのアルマ望遠鏡は、惑星を形成する円盤のこれらの画像を撮影しました。 アルマ望遠鏡 (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF、S. ダニェッロ
