水星の核心的な謎:初期太陽系衝突理論

混雑した初期の太陽系では、若い惑星が頻繁に衝突し、互いに再形成されました。しかし、マーキュリーは目立っていました。異常に太陽の近くで形成されました。水星の日は年よりも長いです。大気はなく、太陽に近いにもかかわらず、金星ほど熱くありません。しかし、水星の最も奇妙な点はその核です。水星は存在すべきではありません。少なくとも、このように存在すべきではありません。

水星は小さく、月よりもかろうじて大きいです。その金属核は地球の質量の 70% を占め、地球の 32%、火星の 25% を大幅に上回ります。実際に核がこのように形成されたとは考えにくい。むしろ研究者らは、水星はより大きな惑星のように形成されたものの、何らかの理由でその質量の一部を失ったに違いないと疑っている。

長年にわたり、大規模な衝突によって水星の外層のほとんどが剥ぎ取られたというのが最も有力な推測でした。しかし、新しい研究では、その答えは、より微妙でより可能性の高い種類の衝突、つまり惑星の兄弟間の宇宙的な横滑りにある可能性があることが示唆されています。

目に見える謎

いわゆる「水銀問題」は厄介な問題です。 1960 年代に遡ると、地上レーダー観測が地球に新たな光を当て始めました。いくつかの観測ではコアが異常に大きいことを示唆していましたが、NASA のメッセンジャーがそれを示唆するまではそうではありませんでした。 科学者がそれを正確に測定できるようにするというミッション (2010 ～ 2015 年) です。

メッセンジャーは水星の化学組成、地質、磁場を研究しました。メッセンジャーは水星の核を直接「見た」ことはありません。それができる楽器はありませんでした。その代わりに、重力マッピング、スピン追跡、磁場測定を組み合わせてサイズと構造を推測する探偵のように機能しました。この分析により、水星の半径の約 85% を占める部分的に溶けた巨大な核が明らかになりました。

標準的な説明は、はるかに大きな天体との古代の壊滅的な衝突です。しかし、この物語にはそれ自体の問題がありました。 「ほとんどの研究は、実質的に異なる質量の天体間の連星衝突を想定していますが、N 体のシミュレーションによれば、その可能性は低いようです」とパトリック・フランコらはネイチャー・アストロノミーに書いている。 .

簡単に言うと、シミュレーションによれば、このような不等質量の衝突はまれである。原始水星のような小さな天体に、その 6 分の 1 より小さいかそれより大きいものを衝突させ、岩石のマントルを剥ぎ取り、金属の核を無傷のまま残すという適切な操作を行うには、めったに行われない軌道体操が必要になります。

そこでフランコと彼のチームは別のことを試みました。

放牧

研究者らは、水星を異常事故のボロボロの生存者として想像するのではなく、よりありふれた出来事である、同じような大きさの 2 つの原始惑星間のかすめ衝突について調査しました。

「シミュレーションを通じて、私たちは水星の形成に例外的な衝突を必要としないことを示しました」とフランコ氏はプレスリリースで説明した。 「同様の質量を持つ 2 つの原始惑星間のかすめ衝突は、その組成を説明できる可能性があります。これは、統計的および動的観点からは、はるかに妥当なシナリオです。」

平滑化粒子流体力学 (SPH) と呼ばれる技術を使用して、チームは数百の惑星衝突をシミュレートしました。この方法は天体物理学で一般的であり、岩石や金属などの材料を、重力と圧力の下で相互作用する何百万もの流体のような粒子としてモデル化します。彼らの目標は、既知の物理学や確率に違反することなく、水星のような世界を作り出すのに十分な岩石を剥ぎ取ることができるかどうかを確認することでした。

彼らは成功した。特に有望なシミュレーションの 1 つは、水星の現在の質量の 2.36 倍を持つ原水星が、わずかに小さな惑星と 32.5° の角度で衝突するというものでした。余波:水星よりわずか 5% 大きく、金属とケイ酸塩の比率が本物とほぼ同じである残骸。

瓦礫はどこへ行ったのでしょうか?

初期の衝突モデルでは、衝突中に放出された岩石のほとんどが水星に落ち、金属が豊富な水星核が薄まりました。それは観察と一致しませんでした。しかし、フランコのモデルでは、破片の多くは完全に逃げてしまいます。

「初期状態によっては、引きちぎられた材料の一部が排出され、二度と戻らない可能性があります」とフランコ氏は言う。 「衝突が近くの軌道で起こった場合、可能性の 1 つは、この物質が別の惑星、おそらく金星によって形成中に組み込まれたということです。」

この考えは、初期の太陽系における惑星のダイナミクスについて私たちが知っていることと一致します。シミュレーションによると、ひき逃げ衝突として知られるこの種のかすめ衝突は、惑星形成の最初の1億年間によく見られた。惑星の胚は、宇宙のビリヤードの球のように互いに押し合い、衝突し、空間と質量を争っていました。

「それは惑星の戦場だった」とフランコは語った。 「それらは、惑星の胚の苗床の中で、重力で相互作用し、互いの軌道を乱し、さらには衝突しながら進化する物体であり、最終的には、今日私たちが知っている明確で安定した軌道構成だけが残りました。」

可能性が高い

この新しいシナリオが際立っているのは、その統計的な妥当性です。 「決定的な証拠」はありませんが、それがもっともらしいと思われます。非常に偏心した軌道とほぼ不可能な一連の条件を必要とする稀な巨大衝突仮説とは異なり、同様のサイズの物体間のかすめ衝突は、惑星形成シミュレーションの最大 20% で発生します。

さらに良いことに、新しいモデルは奇妙な化学環境を想定する必要がありません。 「私たちは水星が当初、他の地球型惑星と同様の組成を持つだろうと想定していました」とフランコ氏は語った。衝突だけでもマントルの 60% を剥ぎ取り、核の多い世界を残すには十分です。

研究者らは、衝突角度と速度を微調整して、数十の構成をテストしました。彼らは、直接すぎず、浅すぎず、一貫して水星類似物を生成する「ゴルディロックス」衝突の狭い帯域を発見しました。あるシミュレーションでは、残骸は地球質量の 0.056 倍の質量とその重量の 68% を占めるコアで形成されました。水星の実際の質量は？ 0.055。その核心？およそ 70%。

しかし現実には、シミュレーションによってより明確な全体像が描かれているとはいえ、私たちはまだ水星を理解し始めたばかりです。

地球の揮発性元素、つまり太陽近くでの大規模な衝突に耐えるべきではなかったカリウムや硫黄などの化学物質はどうなるのでしょうか? メッセンジャー それらを地表で発見し、科学者たちを当惑させた。現在の研究はその謎を解決するものではありませんが、道を開くものです。

研究では、「たとえ巨大な衝突によって揮発性物質のほとんどが除去されたとしても、水星はその後、彗星や残留微惑星による非侵食性の衝突を経験し、その影響で揮発性物質が表面に運ばれた可能性がある」と述べている。

さらに今後も続きます。 2026 年、ヨーロッパと日本のミッションベピコロンボが 惑星の重力と磁場の奥深くを覗くことができる機器を備えた水星に到着し、謎に満ちた核の完全な構造を明らかにする可能性があります。

「水星は依然として私たちの星系で最も探査が少ない惑星です」とフランコ氏は言う。 「しかし、状況は変わりつつあります。新世代の研究とミッションが進行中であり、多くの興味深いことがまだ実現されていません。」