惑星形成における巨大衝突段階

惑星形成における巨大衝突段階は、惑星形成の最終段階を指し、主に重力によって引き起こされる高エネルギー衝突が支配的となる。^{[ 1 ]}惑星形成は、原始惑星系円盤内で起こる複雑なプロセスであり、塵とガスが合体して天体を形成する。このプロセスにおける重要な段階は、形成中の惑星体間の大規模な衝突を特徴とする巨大衝突段階である。これらの衝突は、恒星系内の惑星や衛星の構造、構成、およびダイナミクスを形成する上で極めて重要な役割を果たしている。

歴史

初期の惑星形成理論は、主に集積などの過程を通じた物質の漸進的な蓄積に焦点を当てていました。^{[ 2 ]}しかし、その後数十年の間に巨大衝突仮説が登場し、原始惑星間の大規模な衝突が惑星の様々な特徴を説明できると提唱されました。この研究における重要なマイルストーンとしては、月の形成に関する巨大衝突仮説の策定と、そのような事象をモデル化するコンピューターシミュレーションの開発が挙げられます。^{[ 3 ]}

巨大衝突のメカニズム

巨大衝突は、通常、惑星形成後期、つまり原始惑星が重力の影響を顕著に及ぼせるほど大きく成長した段階で発生します。原始惑星系円盤では、重力相互作用の相互作用により軌道が不安定化し、衝突が発生する可能性があります。これらの衝突は巨大となる場合があり、火星に匹敵する天体がより大きな惑星と衝突し、構造と組成に劇的な変化をもたらします。両方の天体が生き残った場合、十分に長い時間スケールで再び衝突する可能性があります。^{[ 4 ]}

支配方程式

衝突速度を導く簡単な方法は、2つの物体の元の速度と脱出速度の大きさを取ることによって決定することができます。 ${\displaystyle v_{c}={\sqrt {v_{esc}^{2}+v_{\infty }^{2}}}}$

証拠と観察

巨大衝突の証拠は主に、惑星の地質学的研究と同位体分析から得られます。

月の証拠

例えば、月は巨大衝突仮説と一致する独特の組成を示し、特に酸素と地球の物質の同位体比が同じである。 ^{[ 5 ]}コンピューターシミュレーションによりこの理論はさらに実証され、このような巨大衝突が、テイアと呼ばれる火星サイズの天体との衝突によって生成された破片から月の形成にどのようにつながったかが実証された。この理論によると、テイアは約45億年前に初期の地球に衝突し、その結果生じた破片が最終的に凝集して月を形成した。この仮説はいくつかの月の特徴を説明するが、火星（13％）と地球のマントル（18％）の中間の鉄分を説明できないなど、課題も抱えている。^{[ 6 ]}

火星の証拠

火星のボレアリス盆地は、クレーターがほとんど存在せず、極めて平坦な地域です。これらの特徴は、短期間で形成されたことを示唆しており、単一の大きな衝突によって説明できる可能性があります。このような衝突には、火星の質量の2～43%の天体が必要になります。^{[ 7 ]}

水星の証拠

水星は他の地球型惑星と比較して比較的大きな核を持っています。鉄を豊富に含む組成と大きな核は、マントルの大部分が高エネルギー衝突によって剥ぎ取られたことを示唆していると考えられています。^{[ 8 ]}太陽に近いことから、水星や衝突したであろう天体は大きな軌道速度を持っており、衝突に必要な速度に達することができたと考えられます。

巨大衝突の影響

巨大衝突は、関係する惑星に甚大な影響を及ぼします。大気の形成や惑星の化学組成に影響を与える可能性があります。また、衝突は惑星の自転や軸の傾きを変化させ、気候や地質活動に影響を及ぼす可能性があります。例えば、天王星の軸の傾きは、このような大規模な衝突が原因であると示唆されています。^{[ 9 ]}

太陽系外惑星への影響

太陽系における巨大衝突段階を理解することは、太陽系外惑星の形成に関する貴重な知見をもたらします。天文学者がより多くの太陽系外惑星系を発見するにつれて、巨大衝突研究から得られた原理は、それらの特徴と形成史を理解するために応用できるようになります。今後の研究は、多様な環境における衝突のモデル化と、その結果として生じるこれらの遠方の惑星の進化経路に焦点を当てることになると思われます。また、十分な例がある場合、追加の系からのデータは、太陽系のシミュレーションに制約を与えることも可能です。^{[ 1 ]}

参考文献

1. Gabriel, Travis SJ; Cambioni, Saverio (2023-05-31). 「惑星形成における巨大衝突の役割」 . Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 51 (1): 671– 695. arXiv : 2312.15018 . Bibcode : 2023AREPS..51..671G . doi : 10.1146/annurev-earth-031621-055545 . ISSN  0084-6597 .
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3. グリーンバーグ, リチャード; ワッカー, ジョン F.; ハートマン, ウィリアム K.; チャップマン, クラーク R. (1978年7月). 「微惑星から惑星へ：衝突進化の数値シミュレーション」 .イカロス. 35 (1): 1– 26. Bibcode : 1978Icar...35....1G . doi : 10.1016/0019-1035(78)90057-X .
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8. ベンツ, ウィリー; スラタリー, ウェイン L.; キャメロン, AGW (1988年6月). 「衝突による水星マントルの剥離」 .イカロス. 74 (3): 516– 528. Bibcode : 1988Icar...74..516B . doi : 10.1016/0019-1035(88)90118-2 .
9. マトソン、ジョン。「ダブルインパクト：2回の巨大衝突で天王星は横転したのか？ | サイエンティフィック・アメリカン」サイエンティフィック・アメリカン、2011年10月7日、 http://www.scientificamerican.com/article/uranus-axial-tilt-obliquity/。