ジャイアント・インパクト(巨大衝突)で惑星から大気が剥ぎ取られた痕跡を検出

ジャイアント・インパクト(巨大衝突)で惑星から大気が剥ぎ取られた痕跡を検出 天文・宇宙

このような惑星の衝突は、若い太陽系ではよくあることのようですが、これまで直接観測されていませんでした。

若い太陽系では、幼い天体が衝突したり融合したりして、次第に大きな惑星になっていくという成長過程が見られます。

私たちの太陽系では、地球や月がこのような巨大な衝突の産物であると考えられています。

天文学者たちは、このような衝突は初期の星系ではよくあることだと推測していますが、他の星の周辺では観測が困難でした。

今回、マサチューセッツ工科大学(MIT)、アイルランド国立大学ゴールウェイ校、ケンブリッジ大学などの研究者らは、地球からわずか95光年の距離にある身近な星系で起きたジャイアント・インパクト(巨大衝突)の証拠を発見しました。

HD 172555と名付けられたこの星は、約2300万年前に生まれた星で、その塵には最近の衝突の痕跡があるのではないかと考えられていました。

マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究チームは、この星の周囲で巨大な衝突の証拠をさらに観測しました。

この衝突は、少なくとも20万年前に、地球とほぼ同じ大きさの地球型惑星と、それよりも小さい衝突体との間で、秒速10キロメートル(時速2万2,000マイル以上)の速度で起こった可能性が高いと判断しました。

さらに、このような高速衝突によって、大きな惑星の大気の一部が吹き飛ばされた可能性を示すガスが検出されました。

この発見は、本日(2021年10月20日)発行のNature誌に掲載され、この種の発見としては初めてのものです。

マサチューセッツ工科大学(MIT)地球大気惑星科学科の大学院生であるTajana Schneiderman氏は、「ジャイアント・インパクトで原始惑星の大気が剥ぎ取られるという現象を検出したのは、今回が初めてです。ジャイアント・インパクトはよくあることだと思われるので、誰もがその観測に興味を持っていますが、多くの系でその証拠が得られていません。しかし、多くのシステムではその証拠がありません。今回、これらのダイナミクスについて新たな知見が得られました。」と語ります。

明確なシグナル

HD 172555という星は、その塵の組成が変わっていることから、天文学者たちの関心を集めてきました。

近年の観測では、この星の塵には珍しい鉱物が大量に含まれており、その粒は一般的な恒星の残骸円盤では考えられないほど細かいものでした。

「この2つの要因から、HD 172555は奇妙な星系だと考えられてきました。」とSchneiderman氏は言います。

Schneiderman氏たちは、このガスがこの星系の衝突の歴史について何か明らかにするかもしれないと考えました。

そこで注目したのが、チリのアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計(ALMA)のデータです。

ALMAは66台の電波望遠鏡で構成されており、その間隔を調整することで画像の解像度を上げたり下げたりすることができます。

研究チームは、ALMAのパブリックアーカイブのデータを調べ、近くの星の周りにある一酸化炭素の兆候を探しました。

「破片の円盤の中のガスを調べようとするとき、一酸化炭素は一般的に最も明るく、したがって最も見つけやすいものです。ですから、HD 172555の一酸化炭素のデータをもう一度調べてみたのです。」

余韻に浸る

慎重な再解析の結果、研究チームはこの星の周囲で一酸化炭素を検出することができました。

その量を測定したところ、金星の大気に含まれる一酸化炭素の20%に相当する量であることがわかりました。

また、このガスは、地球と太陽の距離の10倍に相当する10天文単位ほどの星の近くを、驚くほど大量に周回していることも確認されました。

「こんなに近くに一酸化炭素があるということは、何らかの説明が必要です。」とSchneiderman氏は言います。

というのも、一酸化炭素は通常、光解離(星の光が分子を分解・破壊するプロセス)に弱いからです。

星の近くでは、通常、一酸化炭素はほとんど存在しないはずです。

そこで研究グループは、このガスが近くにたくさん存在することを説明するために、さまざまなシナリオを検証しました。

形成されたばかりの星の破片からガスが発生したというシナリオや、氷のついた小惑星が近くにあってガスが発生したというシナリオはすぐに除外されました。

また、私たちのカイパーベルト1冥王星が発見された後、海王星以遠の太陽系外縁部に多数の小天体が円盤状に分布しているという考えを1943年にアイルランドのエッジワース(K.E. Edgeworth)が、また1957年にオランダ出身でアメリカのカイパー(G.P. Kuiper)が提唱した。長い間、そのような天体は確認されなかったが、1992年にジューイット(D.C. Jewitt)とルー(J. Luu)が、冥王星よりも遠い天体1992QB1を発見した。それ以来、次々と天体が発見されて、エッジワースやカイパーが提唱した円盤状の天体群が現実のものとして存在することが明らかになった。この円盤を、エッジワース-カイパーベルト(カイパーベルト)と呼び、天体をエッジワース-カイパーベルト天体(カイパーベルト天体)と称している。天文学辞典のように、遠くの小惑星帯から氷のついた彗星がたくさん飛来してガスを放出しているというシナリオも考えられました。

しかし、このシナリオにもデータは当てはまりませんでした。

研究チームが考えた最後のシナリオは、ガスが巨大な衝突の残骸であるというものでした。

Schneiderman氏は、「すべてのシナリオの中で、データの特徴をすべて説明できるのはこのシナリオだけです。この年代の星系では、ジャイアント・インパクトがあることが予想され、ジャイアント・インパクトは本当によくあることだと考えられます。タイムスケールも、年代も、形態的・組成的な制約も、すべてうまくいっています。この星系で一酸化炭素を生成するプロセスとしては、ジャイアント・インパクトしか考えられません。」と言います。

研究チームは、このガスは、少なくとも20万年前に起きたジャイアント・インパクトから放出されたと推定しています。

このジャイアント・インパクトは、星がガスを完全に破壊する時間がないほど最近に起きたものです。

ガスの量からすると、この衝突は巨大で、地球に匹敵する大きさの2つの原始惑星を巻き込んだと考えられます。

衝突があまりにも大きかったため、1つの惑星の大気の一部が吹き飛ばされ、現在観測されているガスの形になったのだと思われます。

Schneiderman氏は、「これで、この星系以外での研究の可能性が出てきました。ジャイアント・インパクトと一致する場所と形態で一酸化炭素が発見されれば、ジャイアント・インパクトを探し、その後のデブリの挙動を理解するための新たな手段となることを示しています。」と言います。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の地球・惑星・宇宙科学教授で、今回の研究には関与していないHilke Schlichting氏は、「この研究で特に素晴らしいと思うのは、ジャイアント・インパクトによる大気損失の重要性を証明していることです。また、巨大衝突を受けた太陽系外惑星の大気の組成を研究する可能性もあり、最終的には地球型惑星が巨大衝突を受けた段階での大気の状態を解明できるかもしれません。」と述べています。

本研究は、ALMA天文台およびサイモンズ財団の支援を受けて実施されました。

Published by Massachusetts Institute of Technology. Tajana Schneiderman, Carbon monoxide gas produced by a giant impact in the inner region of a young system, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03872-x.