惑星はどうやって作られる？ほとんど何もないように見える

遠い昔、現在太陽と呼ばれている恒星が点火しました。その誕生当初の雲に存在していた物質をすべて消費したわけではなく、残ったガスと塵が社交ダンスのスカートのように渦巻いていました。塵の残骸はいくつかの場所で合体し始め、より大きな岩石天体を形成しました。数百万年後、残骸は8つの惑星として知られ、小惑星帯と遠方のカイパーベルトにはわずかなかけらが残っていました。

クアンタマガジン

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

同様の現象は無数の恒星の周りでも起こっており、その大半には惑星が存在すると考えられています。天文学者たちは、惑星形成のプロセスがどのように起こり、どれくらいの時間がかかるのかを解明しようと試みています。その過程では、惑星に現在どれだけの物質が存在するか、そして惑星が形成された塵の円盤にはどれだけの物質が必要だったかを研究しています。しかし、彼らの宇宙の計算は合致していません。

新たな研究論文によると、惑星は私たちの理解を超えた方法で形成されている可能性があるという。多くの系において、惑星は宇宙最大の星の裾野よりもはるかに大きい。これは数学、あるいは少なくとも理屈に合わないように思える。惑星は、その構成物質よりも大きくなるべきではないのだ。

新たな論文の著者らは、数百個の太陽系外惑星と、赤ちゃん惑星が形成されつつある原始惑星系円盤の質量を比較することに着手した。彼らは、惑星カタログと世界最強の電波望遠鏡によって集められた円盤の測定値を比較し、惑星の質量が円盤の質量よりもはるかに大きいことを発見した。

著者らは、2つの可能性のうちどちらかが起こっている可能性があると示唆している。1つは、円盤の中に目に見えない物質が存在する可能性、もう1つは、恒星の外から何らかの形で惑星形成に必要な物質が円盤に補充される可能性である。どちらの可能性も、現在の惑星形成のパラダイムに疑問を投げかけることになるだろう。

原始惑星系円盤の塵とガスを研究するのに最適な望遠鏡は、チリの高地砂漠に建設された電波アンテナ群、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）です。この望遠鏡には珍しい特性があります。直径約1ミリメートルまでの物体を観測できるものの、小石よりも大きな物体は実質的に見えません。今回の研究によると、これが円盤が小さすぎるように見える理由かもしれません。もし惑星、あるいは少なくとも惑星の核が私たちの予想よりも早く形成されていれば、円盤の質量の一部がALMAの観測範囲から隠されてしまう可能性があります。

「惑星の核が100万年未満という極めて急速な速度で形成されれば、そこに大量の質量を注ぎ込むことができ、惑星の構成要素を非常に早い段階で形成できる」と、この研究を率いたドイツ、ガルヒンクにある欧州南天天文台の天文学者カルロ・マナラ氏は述べた。質量が失われているのではなく、私たちがそれを見逃しているだけなのかもしれない。

画像には、人物、顔、衣服、アパレル、車輪、機械、男性、スカーフ、建物が含まれている可能性があります。

天文学者たちは長年、惑星は巨大な天体がゆっくりと衝突し、溶けて、新しい物質に再結合することで形成されると考えてきました。しかし、このプロセスには長い時間がかかります。例えば、地球が形成されるまでに数百万年かかったことは知られています。

しかし、カリフォルニア工科大学の天体物理学者で、惑星形成を研究しており、今回の研究には関わっていないコンスタンチン・バティギン氏は、天文学者たちは、100万年の時間スケールで惑星が形成されるのは合理的だと考えるようになってきていると述べた。

「これは途方もなく速いプロセスではありません。聖書に書かれているようなものではありません。7日間でもなければ、6000年でもありません。100万年かかるのです」と彼は言った。「100万回の軌道の中で、多くのことが起こり得るのです。」

比較的新しく、広く受け入れられている「小石集積」理論が、その可能性を示唆しています。この理論では、多数の小さな小石や塵の粒子がより大きな天体に急速に集積するため、惑星は小さな成長速度でより速く成長できると示唆されています。バティギン氏によると、惑星形成に関する研究の多くはこの方向に向かっており、マナラ氏の新たな研究も同様の方向を示しているとのことです。

さらに、若い恒星HLおうし座は、この現象が起こっている可能性を示唆する強力な状況証拠を示しています。HLおうし座には、複数の同心円状のリングに囲まれた原始惑星系円盤があります。多くの天文学者は、これらのリングは惑星によって形成されたと考えています。もしそうだとすれば、これらの惑星は非常に急速に形成されたはずです。なぜなら、HLおうし座の年齢はわずか10万年程度である可能性があるからです。

「これは、初期の惑星形成のケースをより説得力のあるものにする点で非常に重要だ」とバティギン氏は語った。

しかしマナラ氏は、急速な惑星形成が最初の難問を解決するとは確信していない。彼は別の異例の可能性を示唆している。恒星が自身の円盤の遥か外側から物質を引き寄せ、新たな成分と融合している可能性だ。

星は分子雲と呼ばれる拡散した星雲の中で生まれます。しかし、星雲内の物質全てが使われるわけではありません。残った物質がしばらく残って、後に惑星がそれを使う可能性があります。例えば、卵を含んだ湿った中心部に少量の小麦粉をゆっくりと加えながら、生パスタを作る様子を想像してみてください。もしそうだとしたら、惑星を形成するために利用可能な物質の総量は、アルマ望遠鏡や天文学者が特定のスナップショットで観測できる量をはるかに超えていることになります。

再び、おうし座HL星が好例となる。昨年発表された研究で、欧州天文台（ESO）ガルヒング校のシウェイ・イェン氏らは、おうし座HL星の中心円盤に繋がる2つの弧を描くガスフィラメントについて記述した。1つは地球から見て我々の方向へ流れ込み、もう1つは我々から遠ざかる方向に伸びているように見える。著者らはガスが流れ込んでいるのか流れ出ているのかを判断できなかったが、その存在は少なくともどちらのシナリオも可能であることを示唆している。

バティギン氏は、クラウドシーディングのアイデアも理にかなっていると言う。

「星は集団で生まれます。単独で形成されるわけではありません。しかし、多くの惑星形成理論は、星が宇宙環境から隔離された状態を想定して設計されています」とバティギン氏は述べた。「しかし、一般的に、星形成環境は非常に動的です。若く巨大な星が絶えず生まれ、超新星へと爆発していきます。こうした様々なことが起こっているのです。」このような動的な環境は、塵やガスを原始惑星系円盤へとふるい分ける役割も果たしている可能性がある。

「ディスクリングがこの物質の一部をリサイクルし、ディスクに戻すのに役立つなら、惑星形成が大幅に促進されるだろう」と、今回の研究には関わっていないビクトリア大学の天文学者、ルオビン・ドン氏は述べた。

他の研究者たちは、円盤質量の謎は測定の誤りだと主張している。ALMAは電波干渉計であり、多数のアンテナが連携して非常に長い波長の光を観測する。これにより、ALMAは若い星を包む塵のような小さな粒子を観測することができる。しかし、天文学者は天体の質量を算出するために、観測結果についていくつかの仮定を立てなければならない。彼らの計算が間違っている可能性もあり、ALMAの観測で見えるよりも多くの塵が存在している可能性がある。

マナラ氏はこの主張を認めつつも、たとえ測定値が大きく外れていたとしても、その食い違いを説明するには不十分だと述べている。「私たちが考え出した二つの可能性のうち、結局のところ、どちらも真実であるというのが本当の考えなのかもしれません」と彼は述べた。「重要なことは非常に早い段階で起こり、環境がそれを助長するのです。」

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