惑星の進化に秘められた波乱万丈の歴史

現在、私たちの太陽系にある彗星に見られる有機物は、おそらく45億年前、太陽系が進化の初期段階にあった頃に生まれたものということはわかっています。

マグマの海からの蒸発による揮発性物質の損失は、現在、月や惑星の形成と組成を説明する新しいモデルとなっています。

今回の記事は、人間をはじめとする生物について、遺伝子の構成によってさまざまな姿になるように、生まれたばかりの星を取り巻く塵の領域で化学反応が起こり、さまざまな種類の惑星が生まれたお話と惑星の誕生にまつわる謎について解説します。



　
2022年8月18日の記事の加筆修正記事です。



現在、私たちの太陽系にある彗星に見られる有機物は、おそらく45億年前、太陽系が進化の初期段階にあったときに生まれたものであることを突き止めました。

星や惑星の形成過程を研究している天文学者は、惑星が発生する領域が複雑な化学反応を持っていることを観察しています。

S4F研究チームの責任者であるJes Kristian Jørgensen氏は、「私たちは、若い星の周りで惑星が形成されている領域で、生命の構成要素となる可能性のある大きな有機分子を検出しました」と述べています。

チリにあるアタカマ大型ミリ波干渉計(ALMA)を用いて、研究チームは分子が発する特定の波長を同定しました。その結果、塵の雲が星に衝突するような高密度の低温領域では、小さな塵の表面に分子が形成されていることを発見しました。このような低温領域に見られる氷によって、分子が凍結してくっつき、より複雑なタイプの有機分子が形成されるのです。

現在、太陽系の彗星に見られる有機物は、おそらく45億年前、太陽系が進化の初期段階にあった頃に生まれたものであることがわかりました」とヨルゲンセン教授は語っています。

このことは、星形成の初期段階で起こった化学プロセスのかなりの部分が、原始惑星系円盤（若い新生星を取り囲む高密度のガスで回転する円盤）と、その中で形成される天体に受け継がれたことを意味します。ヨルゲンセン教授は、「この継承の度合いには非常に驚かされました。興味深いことに、同じ有機物組成が、物理的条件が大きく異なる他の銀河領域でも検出されました。

今後5年から10年の間に、私たちは大気の特徴を徹底的に調べ、その化学的性質が現在観測されている惑星の物質とどのように関連しているかを明らかにする作業を開始する予定です。また、私たちの太陽系が特殊なのか、宇宙の他の場所に生命が存在するのかどうかも明らかになるでしょう」とヨルゲンセン氏は説明します。


地球サイズの太陽系外惑星は、ガスと塵の塊から何百万年もかけて徐々に形成されたと考えられていますが、その過程の多くはまだほとんど分かっていません。

しかし、私たちの月がその答えを教えてくれるかもしれません。最近の研究で、研究者たちは、月が融解と蒸発を繰り返していることを発見し、揮発性物質として知られる重要な化学元素が著しく減少している理由を説明したとのことです。

「揮発性元素は、生命の発生と維持の能力や、それぞれの惑星をユニークにしている地球化学的特性など、地球型惑星において大きな役割を果たしています」と、パリ大学地球物理学研究所のフレデリック・モニエ教授は話しています。

PRISTINEプロジェクトのモニエ氏と彼のチームは、亜鉛、銅、ガリウム、ルビジウム、カリウムなどの揮発性元素について、同じ元素の異なる形態である同位体の濃度を測定しました。

このような元素濃度の違いは、地球-月系の形成過程を明らかにする可能性があるが、その正確なメカニズムについては長年の議論が続いています。しかし、地球と月で特定の揮発性元素が枯渇し、他の元素が過剰に存在することは、これまでの研究では説明されていませんでした。

月が最初に形成されたとき、月はほぼ完全に溶けていて、地球のすぐ近くを回っていたようです。研究チームは、この溶融状態で、揮発性元素の「惑星規模」の蒸発が起こったことを初めて明らかにしました。

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マグマの海からの蒸発による揮発性物質の損失は、今や月や惑星の形成と組成を説明する新しいモデルとなっています。

「完全に溶けた天体のこの段階をマグマオーシャンと呼びます。私たちは、この段階で揮発性元素が蒸発することを示しました。マグマの海からの蒸発による揮発性物質の損失は、月や惑星の形成と組成を説明する新しいモデルです」とモニエ氏は語っています。


宇宙を形成してきた複雑な化学プロセスを研究する科学者たちにとって、エキサイティングな時代が到来していることは間違いありません。実験室でのモデリングや実験がさらに進めば、惑星の温度、圧力、初期の化学組成などの特定の要因が、揮発性元素の蒸発速度にどのような影響を与えるかが、より明らかになっていくでしょう。


人間をはじめとする生物は、遺伝子の構成によって多種多様な形態をとっているように、惑星も生まれたての星を取り巻く塵の領域で化学反応が起こり、さまざまな種類の惑星が誕生しています。

このように、自然は太陽系外の惑星である太陽系外惑星を好んで形成しているようです。この20年間で、科学者たちは、太陽系外惑星が以前考えられていたよりもはるかに多く存在することに気づきました。

惑星形成の理解を深めるためには、このような惑星系を数多く発見し、その形成を観測しなければなりません。しかし、惑星の進化をリアルタイムで観察するには、何百万年もの時間がかかります。そこで天文学者は、宇宙のある領域を覗き込み、観測したさまざまな手がかりをパズルのようにつなぎ合わせて、実験室でシミュレーションをするのです。

星雲説と呼ばれる最も広く受け入れられている惑星形成のモデルは、ガスとダストが渦を巻く円盤から始まります。ある時点で、この宇宙塵を支える圧力に重力が勝り、塵は回転を始め、自らの重力ですぐに崩壊してしまいます。

これは、フィギュアスケートの選手が腕を引くと回転が速くなるのと同じで、わずかな回転も増幅されるのです。その結果、若い星を取り囲む原始惑星系円盤が形成され、惑星系形成のルツボとなるのです。

このように、惑星がどのように生まれるかはわかっていても、どのような化学反応が起きて新しい世界が作られるのかは、まだよくわかっていません。

参考文献　Planetary evolution reveals a volatile history