研究者らが地球のような岩石惑星の構築レシピを改訂
過去 10 年にわたり、研究者たちは木星や土星などの巨大ガス惑星がどのように形成されるかについての物語を完全に書き換えてきました。彼らは現在、同じプロセスが地球にも当てはまるかどうかを議論している。
はじめに
ボブ・オデルは自分が何を見ているのかよくわかりませんでした。それは 1992 年で、彼はハッブル宇宙望遠鏡からオリオン大星雲の若い星を拡大した新しい画像を入手したばかりでした。オデル氏は、地球に比較的近い星形成の興味深い領域である星雲そのものを研究したいと考えていた。しかし、別のことが彼の注意を引いた。いくつかの星はまったく星のように見えず、代わりに薄暗い覆いに包まれていました。それらは「星雲を背景にしたシルエット」を形成しているように見えたとオデル氏は言いました。
当初、オデルと彼の同僚は、ハッブルの主鏡のゆがみから生じる画像アーティファクトが見られるのではないかと考えた。この主鏡は、わずかに間違った形状に成形されており、1993 年のスペースシャトルのミッションによって修正されることになるだろう。「私たちは、これが欠陥のある主鏡の残留効果なのかどうか、本当に疑問に思いました」とハッブルのプロジェクト科学者だったオデルは語った。しかしすぐに、鏡が修理された後でも、画像内にさまざまな現象が現れるようになり、それがまったく欠陥ではないことに気づきました。彼らは実際に、若い星を囲む塵とガスの幼児円盤を観察していました。彼らは初めて惑星の誕生を目撃しました。
オデルによる原始惑星系円盤の発見は、惑星形成に対する私たちの理解に変革をもたらしました。その後の数十年で、天文学者たちは、惑星がどのように形成されるか（小さな岩石が固まって大きな岩になり、さらに固まる）についての私たちの古典的な考えが正しくない可能性があることに気づくでしょう。木星や土星のような巨大ガス惑星の場合、支配的な天体が小さな岩を飲み込む小石降着と呼ばれるモデルが、そのような巨大な世界がどのようにして生じるのかについての古い見解に取って代わられることになるでしょう。
これらのハッブル宇宙望遠鏡の画像は、遠方の星の周りにある原始惑星系円盤の直接的な証拠を初めて提供しました。
C.R. オデル (ライス大学)、NASA
太陽系内部の岩石の世界はさらに複雑です。惑星科学者たちは、小石の降着によって地球とその近隣地域がどのように誕生したかを説明できるのか、それとも古い見解が依然として最も可能性が高いのかについて激しく議論してきた。この衝突はここ数年、雑誌記事で展開され、さらに最近ではバイエルン アルプスの城でも展開されました。
この議論は、地球とその水の起源などの大きな謎に影響を与えるだけではありません。その答えは、地球に似た世界が宇宙全体にどれほど広がっているかを明らかにするのにも役立ちます。このような世界は宇宙のまぐれであり、宇宙の他の場所に生命が存在する可能性を低くする偶然の出来事の組み合わせにすぎないのでしょうか？それとも、太陽系には適切な成分があれば、居住可能な惑星が確実に存在し、私たちは数多くある惑星のうちの 1 つにすぎないのでしょうか?
カリフォルニア工科大学の惑星科学者コンスタンティン・バティギン氏は、「私たちの周りの世界がどのように形成されたかを考えるのは人間の経験の一部です」と述べた。もしそれが小石から形成されたとしたら、私たちのような世界がさらにどれだけ存在するかに大きな影響を与えるでしょう。
ペブルズの侵略
2012年、スウェーデンのルンド大学の天文学者アンダース・ヨハンセンとミシェル・ランブレヒトは大胆な予測を立てた。それまでの数十年間、天文学者たちは、地球や木星などの惑星は、若い太陽系で互いに衝突した小惑星のような物体、つまり微惑星が徐々に蓄積して成長したと信じてきました。微惑星降着として知られるこのプロセスは遅く、惑星が形成されるまでにはおそらく最大 1 億年かかります。しかし、それは理にかなっていました。私たちの太陽系にはたくさんの小惑星が見えますが、45 億年前に小惑星が形成されたときには、今日私たちが見ているすべての世界を形成するのに十分なほど、さらに多くの小惑星があったと考えるのが合理的だと思われます。
しかし、問題もありました。微惑星自体がどのようにして形成されたのか、つまり微惑星がどのようにして小さな塵の粒から都市サイズの岩石までジャンプしたのか、これはメートルサイズの障壁として知られる問題であるが、誰もよくわかっていなかった。地球上に液体の水が存在することは、水を含む小惑星の偶然の到来に依存していたので、混乱を招くものでした。そして最も厄介なのは、微惑星の降着が土星、天王星、海王星の形成にあまりにも長い時間がかかることだ。ライス大学の惑星科学者アンドレ・イジドロ氏は、「ほとんどの円盤は数百万年で消滅する」ため、固体の核が形成されるまでに（数千万年後）、原始惑星系円盤から巨大ガス体になるのに十分なガスを蓄積するには手遅れになるだろうと述べた。
ヨハンセンとランブレヒトは新しいモデルを提案しました。ヨハンセン氏は、複数の微惑星が衝突するのではなく、単一の支配的な微惑星が原始惑星系円盤内の物質を「掃除機のように」掃き出すことによって、わずか数百万年という短期間で巨大なサイズに成長する可能性があると示唆したと述べた。この物質は、若い星を取り囲む小さな種のような岩石で構成されていると考えられます。彼らはこのアイデアを小石の付着と呼びました。
小石は非常に小さく、サイズはわずか数ミリメートルからセンチメートルですが、微惑星ははるかに大きく、今日太陽系で見られる小惑星の多くと同様、幅は数百キロメートルにも達します。どちらも星の原始惑星系円盤の中で発見され、後者は時折互いに衝突します。
ヨハンセンとランブレヒトが小石モデルを発表してからわずか 2 年後の 2014 年、円盤が実際に小石で満たされていることが観察によって明らかになりました。アルマ望遠鏡（アタカマ大型ミリ波サブミリ波アレイ）と呼ばれる66台の望遠鏡のネットワークは、若い星を取り囲む原始惑星系円盤の内部にある、地球質量最大100個分に相当する小石を明らかにした。これには、成長する惑星が軌道を刻むことによってできた広い隙間も含まれている。これらの円盤の中には小石がいたるところにありました。アルマ望遠鏡は、「原始惑星系円盤が微惑星ではなく小さな小石の巨大な質量貯留層を持って生まれることを示した」とランブレヒト氏は述べた。
2014 年におうし座 HL の周囲の原始惑星系円盤をアルマ望遠鏡で観測した結果、円盤内の小石の存在など、隠れた構造が明らかになりました。
アルマ望遠鏡 (ESO/国立天文台/NRAO)
やがて、ほとんどの科学者は、小石の付着によって巨大惑星が形成されたという意見に同意するようになりました。それが彼らが十分に早く成長するための唯一の方法のように思えました。 「巨大惑星の核にとって、小石の降着が解決策であることに疑いの余地はありません」と、フランスのコートダジュール天文台の惑星科学者アレッサンドロ・モルビデリ氏は述べています。
しかし、小石の降着は、木星、土星、天王星、海王星の形成を説明したように見えますが、水星、金星、地球、火星といった地球型惑星の形成についてはかなりの疑問を引き起こしました。 「原理的には微惑星降着によって地球型惑星を形成する可能性がある」とランブレヒト氏は述べた。 「しかし今、小石の侵入が起こっています。」
小石降着モデルでは、微惑星降着モデルと同様に、若い星の周りの原始惑星系円盤から始めます。どちらのモデルも、ストリーミング不安定性と呼ばれる現象を介して微惑星が形成される必要があります。本質的に、塵や小石は星の周囲のガスに遭遇するときに抗力を経験します。これにより小石が凝集し、最終的に一部の塊は「重力の影響で束縛されるほど巨大になり、崩壊して微惑星になる」幅が数百キロメートルに達する、とルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘン大学の天体物理学者ジョアンナ・ドロンシュコフスカ氏は述べた。塊は形成される際に回転し、2 つの葉が得られます。ドロンシュコフスカ氏は、アロコスなどの太陽系外天体で「これはまさに私たちが見ているものである」と述べた。このプロセスは信じられないほど早く、おそらく 100 年しかかからないと予想されます。
ここから、2 つのモデルは分岐します。微惑星降着の下では、これらの微惑星は円盤のあらゆる場所に形成され、小石はほとんど残りません。数千万年をかけて、大きな微惑星が衝突して合体し、最終的に今日私たちが見ているような地球型惑星が誕生します。
小石の降着では、ほんの少数の微惑星が優勢になります。これらの微惑星は原始惑星系円盤内の小石を掃き集め始め、小石は長い川のようなフィラメントとなって微惑星の表面に流れ落ちます。これは非常にエネルギー的なプロセスであり、小石が雨として降り注ぐにつれて、熱いマグマの海が表面で輝きます。 「これらの惑星は輝くでしょう」とランブレヒト氏は語った。このプロセスは非常に効率的です。微惑星降着にはおそらく 1 億年かかるのに比べ、地球はわずか数百万年で完全な大きさに成長します。
小石の降着の最も興味深い結果の 1 つは、居住可能な惑星がどのように形成されるかを直接予測できることです。このモデルは、水を豊富に含む小惑星に頼って原始惑星に無計画に衝突させるのではなく、太陽系外縁部から飛来する氷の小石が地球のような惑星に水を安定的に供給できる可能性を示唆しており、これはペブルスノーとして知られるアイデアである。 「小石の雪の良いところは、雪が予測できることです」とヨハンセン氏は言う。 「地球に降り注ぐ水、炭素、窒素の量は計算可能です。」
したがって、地球型惑星形成の小石降着モデルが正しければ、宇宙に他の生命が存在する可能性を示唆する可能性がある。微惑星降着では、地球上に水が存在するのは偶然の出来事でしたが、小石降着では、私たちのような惑星系では予想されることかもしれません。原始地球を同じような星の周りの同じような位置に置くと、集められる水の量は同じになる可能性があります。居住可能な世界は偶然の出来事ではないでしょう。惑星系に適切な成分があれば、それらの存在は計算可能な結果となるでしょう。 「これをプレバイオティクスの化学と生命の起源を理解するための出発点として使用できます」とヨハンセンは言います。
偉大な建築家
小石の付着は魅力的なアイデアのように思えます。それは惑星の急速な成長の問題を解決し、地球上の水の存在を説明し、発展中の系外惑星系で小石を観察することさえできます。 「アルマ望遠鏡のおかげで、小石が特定の領域に集中しており、微惑星の形成や、潜在的に惑星の形成につながることがわかっています」とユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの惑星形成科学者、パオラ・ピニラ氏は述べています。
しかし、これは巨大惑星の成長については十分な説明を提供しますが、地球型惑星に関しては、小石の付着にはいくつかの注目すべき問題があります。
まず、太陽系内部の小石はどこから来たのでしょうか?近年、惑星科学者たちは、太陽系最大の惑星である木星が惑星の運命を形作る主な力であると信じるようになりました。 「新たに明らかになったのは、木星が太陽系の偉大な建築家だったということです」とバティギン氏は言いました。
バティギン氏によると、木星は急速に形成されてすぐに、太陽系の内側と外側の間に障壁を築き、「質量が豊富な」外側領域からの物質が「質量に飢えた」内側の地球型惑星に流れ込むのを防いだという。 「巨大な惑星が塵や小石の流れを妨げた」とモルビデリ氏は語った。内側の円盤にある小石は、地球型惑星が形成される前に消滅した可能性があり、太陽系の外側からさらに多くの物質が流入しなければ、地球を作るのに十分な物質は存在しなかっただろう。
たとえ十分な材料があったとしても、小石の付着は別の問題に遭遇します。それは非常に効率的ですが、おそらく過剰すぎるのです。もし地球や他の地球型惑星が小石の降着によって形成されたとしたら、なぜそれらがどんどん大きくなり、最終的にはスーパーアース、つまり他の惑星系では比較的一般的と思われる地球と海王星の中間くらいの大きさの世界にならなかったのかは明らかではない。フランス、ボルドーの天体物理学研究所の天文学者ショーン・レイモンド氏は、「小石の付着の難しさは、あまり効率的ではないか、あるいは非常に効率的であるかのどちらかだ」と語る。 「その中間になることはめったにありません。そして地球型惑星のために働くには、適切な量のものを持っている必要があります。」物質が少なすぎると、惑星はまったく成長しません。あまりにも多すぎると、惑星が急速に大きくなりすぎると、「太陽系には地球型惑星ではなくスーパーアースが存在することになるでしょう」とレイモンド氏は言いました。
これらの問題は、ここ数年惑星科学者の間でかなりの議論を引き起こしており、議論の両側から多くの研究が進行中です。 9 月に、モルビデリと彼の同僚はネイチャー天文学に記事を発表しました。 この研究は、微惑星が太陽系の現在の構成をどのように説明するかを示唆した原始惑星ベスタの研究に基づいています。この研究は、微惑星の輪がかつて地球の現在の位置で太陽の周りを周回していたことを示唆しています。やがて、このリングはリングの中央に向かって 2 つの大きな惑星 (地球と金星) を形成し、その側面に 2 つの小さな世界 (火星と水星) が形成されました。
しかし、小石が地球型惑星を誕生させる方法を研究し続けている人もいる。 2月にヨハンセンらは、私たち自身の太陽系がどのようにしてこのように形成されたのかを説明した。そして先月、Drążkowskaらは小石の降着を利用して、他の太陽に似た星の周りにスーパーアースが比較的珍しい理由を説明した。
先月ドイツのリングベルク城で開かれたワークショップでは、議論は自由に行われた。ヨハンセンやランブレヒトのように、地球型惑星の小石降着モデルを強く支持している人もいます。 「これが支配的なプロセスであるという強力な証拠があります」とヨハンセン氏は言う。あまり確信を持っていない人もいます。ドイツのミュンスター大学の惑星科学者トルステン・クライネ氏は、「小石の付着は惑星形成を理解する上で非常に重要なプロセスだと思うが、それが太陽系に地球型惑星を構築したプロセスではないと思う」と述べた。この 2 つのプロセスは、小石の降着によって微惑星が形成され、木星が入ってくる小石の流れを遮断した後に合体するという、協調して作用した可能性もあります。
宇宙物体の組成の研究である宇宙化学に目を向ければ、答えが見つかるかもしれないと期待する人もいます。ヨハンセン氏は、もし微惑星降着モデルが正しければ、それらが私たちの世界の構成要素である可能性が高いことを考えると、地球と同様の組成の小惑星が見つかることが期待されるだろうと指摘した。しかし、そうではありません。 「それが古典的なモデルの限界だと思います。なぜなら、彼らはそれを見つけることができていないからです」と彼は言いました。 「地球に似た隕石は実際には存在しません。」
しかし、もし地球が小石の降着によって形成されたとしたら、太陽系外縁から飛来する小石によって地球上に窒素や炭素などの揮発性元素が「はるかに豊富に」存在すると予想されていたかもしれないと、ワシントンD.C.にあるカーネギー科学研究所の宇宙化学者コーネル・アレクサンダー氏は言う。アレクサンダーのような科学者は、宇宙化学の新しい考え方と初期太陽系のモデル化を組み合わせることで、有用な答えが得られるのではないかと期待している。 「モデラーと宇宙化学者の両方に、やるべきことが少しあります」と彼は言いました。
他の場所では、系外惑星系の継続的な研究により、より多くの情報が明らかになる可能性があります。ピニラ氏によると、アルマ望遠鏡によってすでに5,000個以上の原始惑星系円盤が観測されており、その中には100万年未満の非常に若い円盤から、最大で3,000万年前の円盤まで含まれているという。ある時は、そのような円盤の中でPDS 70bと呼ばれる巨大な惑星が誕生するのを目撃したこともあり、今後さらに多くの目撃例が期待されています。いくつかの円盤は塵の輝きを示しており、衝突する微惑星が存在する可能性を示していますが、その数は明らかではありません。アルマ望遠鏡の研究と並行して、12月に打ち上げ予定のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による今後の観測は、貴重なさらなる手がかりを提供する可能性がある。 「JWST からの化学痕跡とアルマ望遠鏡からの小石の分布を持ち込めば、円盤の内側でどのような種類の惑星が形成されるかについてのヒントが得られるでしょう。」とピニラ氏は言いました。
多くのことはまだ不確実なままである。現在の主要な疑問は、私たちの惑星は、巨大な小惑星のような天体どうしの衝突の繰り返しの結果なのか、それとも、何兆もの、おそらくは氷が豊富な宇宙の小石でできた世界の上に立っているのかということだ。その根本的な疑問を解決することで、私たち自身の過去だけでなく、あらゆる場所の地球に似た世界への窓が提供されるでしょう。
