研究者らは、高度なコンピューターシミュレーションを使用して、約45億年前に若い地球と火星サイズの物体との間に起こったと考えられる大規模な衝突を調査した。彼らの結果は、2 つの物体の温度と構造特性に応じて驚くほど異なる結果を明らかにしました。

結果は、 天体物理学ジャーナルレター。シミュレーションによって、2 つの古代世界の物質的な強度が初めて明らかになりました。この追加は、月形成衝突に関する科学者の理解を再構築する可能性があり、衝突がいつ起こったかを絞り込むのにも役立つかもしれない。

「火星サイズの原始月の既存の地質が重要であることがわかりました」と、月惑星研究所の元博士研究員で現在は SwRI のアディーン・デントン氏は述べた。 「地球と月を地質学的特性を備えた衝突体としてシミュレートすると、その衝突による月の形成方法が変わります。これは私たちが以前は不必要だと考えていたことです。」

ジャイアントインパクト理論を再考する

月の起源に関する主な説明の 1 つは、ジャイアント インパクト シナリオです。この考えによると、テイアと呼ばれる火星サイズの天体が初期の地球に衝突しました。この衝撃によりテイアは破壊され、その破片が地球周回軌道に乗り込み、最終的に合体して月となる円盤を形成した。

このシナリオに関する独創的な 2001 年の研究は、コロラド州ボルダーにある SwRI 太陽系科学探査部門の副所長であるロビン・カナップと、月惑星研究所の教授で新しい研究の共著者であるエリック・アスフォーグによって主導されました。

これらの初期のシミュレーションは、その後の多くのモデルと同様に、材料強度を考慮していませんでした。科学者らは、衝突が非常に活発だったので、岩石体を効果的に流体として扱うことができるのではないかと考えました。

デントンと彼の同僚は、その仮定が正当であるかどうかをテストすることにしました。最新の計算手法を使用して、彼らは初めて月形成のシミュレーションに温度依存の地質学的強制力を組み込みました。

「衝突は地球とテイアの大部分を溶かして蒸発させるのに十分な激しさであると考えられていたため、これまでの論文では地球とテイアを流体として近似しても問題ないと想定していた」とアスファウグ氏は述べた。 「しかし、新しい結果に基づいて、再考する時期が来たと考えています。」

衝突に現実的な地質を追加する

巨大な衝突を検討するために、デントン氏はより高度な形式の平滑化粒子流体力学 (SPH) シミュレーションを使用しました。これらのシミュレーションでは、オブジェクトを完全に流体として扱うのではなく、オブジェクトの構造強度が考慮されます。

「小惑星、準惑星、衛星などの小さな天体間の衝突を研究する場合、材料の強度が非常に重要であることがわかりました」と、冥王星・カロン系の形成に関する以前の研究に取り組んでいたときに、この概念を地球の月に適用するというアイデアを思いついたデントン氏は述べた。 「それが私たちの月にとって重要かどうかはわかりませんでした。シミュレーションを行ったところ、実際にはかなり重要であることがわかりました。」

この研究で使用された SPH のバージョンは、スイスの A 大学とベルン大学で開発されました。その強度モデルにより、シミュレートされた惑星材料は、テイアや原始地球、あるいは固体の氷を形成したと思われる岩石や金属など、実際の地質物質とより一致した方法で変形に耐えることができます。

月はさまざまな方法で形成された可能性があります

温度が特に重要であることが判明しました。高温の惑星体は低温の惑星体よりも機械的に弱く、この違いが衝突後に何が起こるかに劇的な影響を与える可能性があることがシミュレーションで示されています。

条件によっては、衝突によりテイアが破壊され、地球の周りに大きな原月円盤が形成されます。その円盤内の物質が徐々に集まって月を形成します。

しかし、他のシミュレーションでは、さらに劇的な結果が得られました。破片からゆっくりと形成されるのではなく、完全に無傷の月がわずか数時間で現れました。

一般に、若い原始惑星は最初は高温で、年齢が上がるにつれて徐々に冷えていくため、この結果は、巨大衝突のタイミングと月の最初の形成方法との間に潜在的に重要な関連性を生み出します。

「衝突前の地球と月の温度にもよりますが、衝突によってテイアが破壊され、最終的に月を形成する巨大な破片の円盤が生成される可能性があります」とデントン氏は述べた。 「しかし、元の衝突モデリングと同じパラメータを使用し、両方の天体の温度構造も同じにすると、約5時間以内に無傷の月が出現しました。」

これまでのシミュレーションでも無傷の衛星が生成されていたが、今回の研究は、月がほぼ無傷で形成されたのか、それとも原始月円盤に加工された破片から徐々に組み立てられたのかを決定する上で、材料の強度と温度が鍵となる可能性があることを初めて示したものである。

月の誕生の瞬間に関する新たな手がかり

この発見は、現在の月の性質を数十億年前の地球とテイアの物理的状態に結びつける可能性がある。

「これらの驚くべき刺激的な新しい結果は、おそらく揮発性物質を含む今日の月の物理的特性と、巨大衝突時の地球とテイアの熱状態との間に潜在的な関連性があることを示唆している」と、この研究には関与していないカナップ氏は述べた。 「これは、科学者が月形成イベントがいつ起こったかをよりよく抑制するのに役立つ可能性がある。」

しかし、1つの大きな謎が未解決のままです。

地球と月は驚くほど似た組成を持っており、巨大衝突モデルでは完全に説明するのが困難です。新しいシミュレーションではその問題は解決されません。

「地球と火星は太陽系の同じ付近で形成されたため、兄弟のようなものです」とデントン氏は言う。 「月と地球は二卵性双生児に似ています。」

可能性の 1 つは、テイアと原始地球が初期太陽系の同じ地域の物質から形成されたということです。地球や月とは組成が異なる火星は、さらに遠くで形成された可能性があります。

月の起源に関する新しい窓

地球とテイアの内部状態が衝突の結果に強い影響を与える可能性があることを示すことで、この研究は研究者に惑星科学における最大の謎の一つを調査する別の方法を提供することになる。

「地球とテイアの地球物理学的状態が、衝突の結果を形作る上で重要な役割を果たしていることがわかっています」と、研究共著者でアスファウグ氏のグループの博士課程学生であるナムヤ・バイジャル氏は述べた。 「これは、衝突の状況と、月の起源について何が明らかになるかを調査する新しい方法を提供します。」