降着（天体物理学）

天体物理学では、降着とは、重力によってより多くの物質（通常はガス状物質）が降着円盤に引き寄せられ、粒子が巨大な物体に集積する現象である。^{[ 1 ] [ 2 ]}銀河、恒星、惑星などのほとんどの天体は、降着過程によって形成される。

地球や他の地球型惑星が隕石物質から形成されたとする集積モデルは、 1944年にオットー・シュミットによって提唱され、続いてウィリアム・マクレアの原始惑星理論（1960年）が提唱され、最後にマイケル・ウルフソンの捕獲理論が提唱された。^{[ 3 ]} 1978年、アンドリュー・プレンティスは惑星形成に関する初期のラプラシアンの考え方を復活させ、現代のラプラシアン理論を開発した。^{[ 3 ]}これらのモデルはいずれも完全に成功したとは言えず、提唱された理論の多くは記述的なものであった。

オットー・シュミットによる1944年の降着モデルは、1969年にヴィクトル・サフロノフによって定量的にさらに発展させられた。^{[ 4 ]}彼は地球型惑星形成のさまざまな段階を詳細に計算した。^{[ 5 ] [ 6 ]}それ以来、このモデルは微惑星の集積を研究するための集中的な数値シミュレーションを使用してさらに発展させられてきた。現在では、星は星間ガスの重力崩壊によって形成されることが受け入れられている。崩壊前、このガスは主にオリオン星雲のような分子雲の形をしている。雲が崩壊して位置エネルギーを失うと、加熱されて運動エネルギーを獲得し、角運動量の保存により雲は扁平な円盤、つまり降着円盤を形成する。

ビッグバンから数十万年後、宇宙は原子が形成されるほど冷えました。宇宙が膨張して冷え続けると、原子は十分な運動エネルギーを失い、暗黒物質が十分に凝集して原始銀河が形成されました。さらに降着が起こると、銀河が形成されました。^{[ 7 ]}間接的な証拠は広く存在します。^{[ 7 ]}銀河は合体と滑らかなガス降着によって成長します。降着は銀河内部でも起こり、星を形成します。

星は^、冷たい分子水素の巨大な雲、すなわち直径がおよそ300,000 M☉、65光年(20 pc )の巨大分子雲の中で形成されると考えられています。 ^[ ₈ ^{] [ 9 ]}数百万年の間に、巨大分子雲は崩壊して断片化しやすいです。^{[ 10 ]}これらの断片は、小さくて密度の高いコアを形成し、それが崩壊して星になります。^{[ 9 ]}コアの質量は太陽の数分の 1 倍から数倍に及び、原始星 (原始太陽) 星雲と呼ばれます。^{[ 8 ]}コアの直径は2,000 ～ 20,000天文単位(0.01 ～ 0.1 pc )で、粒子数密度はおよそ10,000 ～ 100,000/cm ³ (160,000 ～ 1,600,000/cu in)です。海面における空気中の粒子数密度（2.8 × 10 ¹⁹ /cm ³ (4.6 × 10 ²⁰ /cu in)）と比較してください。^{[ 9 ] [ 11 ]}     

太陽質量の原始星雲の最初の崩壊には約 10 万 年かかります。^{[ 8 ] [ 9 ]}すべての星雲は、一定量の角運動量を持って始まります。星雲の中心部のガスは、比較的角運動量が低いため、急速に圧縮され、元の星雲の質量のごく一部を含む高温の静水圧（収縮しない）コアを形成します。このコアが、後に星となるものの種となります。^{[ 8 ]}崩壊が続くと、角運動量保存則により、落下する外層の回転が加速し、最終的に円盤が形成されます。

円盤からの物質の落下が続くと、外層はやがて薄く透明になり、若い恒星状天体（YSO）が観測可能になる。最初は遠赤外線で、その後は可視光で観測可能になる。^{[ 11 ]}この頃、原始星は重水素の核融合 を開始する。原始星の質量が十分に大きい場合（80 M _J以上）、水素の核融合が起こる。そうでない場合、質量が低すぎると、天体は褐色矮星になる。^{[ 12 ]}この新しい星の誕生は、崩壊が始まってから約 10 万年後に起こる。^{[ 8 ]}この段階の天体はクラス I 原始星として知られており、若いT Tauri 星、進化した原始星、または若い恒星状天体とも呼ばれる。この時点で、形成中の星はすでに質量の大部分を集積しており、円盤と残りの外層の総質量は中心の YSO の質量の 10 ～ 20% を超えない。^{[ 11 ]}  

次の段階では、外層は円盤に集められて完全に消滅し、原始星は古典的なTタウリ星になります。^{[ 13 ]}後者は降着円盤を持ち、高温ガスを降着し続け、そのスペクトルに強い輝線が現れます。前者は降着円盤を持っていません。古典的なTタウリ星は弱い輝線を持つTタウリ星に進化します。^{[ 14 ]}これは約100 万年後に起こります。^{[ 8 ]古典的なTタウリ星の周りの円盤の質量は恒星質量の約1～3%で、 10⁻⁷}～10⁻⁹太陽質量_/年の速度で降着します。 ^{[ 15 ]通常、}双極ジェットのペアも存在します。降着は、古典的なTタウリ星の特異な性質、すなわち輝線における強いフラックス（星の固有光度の最大100%）、磁気活動、測光変動、ジェットなどをすべて説明する。^{[ 16 ]}輝線は、降着したガスが星の「表面」に衝突するときに実際に形成され、これは星の磁極付近で起こる。^{[ 16 ]}ジェットは降着の副産物であり、過剰な角運動量を運び去る。古典的なTタウリ段階は約1000万年続く^{[ 8 ]} （降着がはるかに長い期間継続し、4000万年以上続くこともあるいわゆるピーターパン円盤の例はごくわずかである^{[ 17 ]}）。円盤は最終的に、中心星への降着、惑星形成、ジェットによる噴出、中心星および近傍の星からの紫外線による光蒸発によって消滅する。^{[ 18 ]}その結果、若い星は弱いスペクトル線を持つTタウリ型星となり、数億年かけて、初期質量に応じて通常の太陽のような星へと進化する。  

宇宙塵の自己集積は、粒子が岩塊サイズの微惑星へと成長する速度を加速させる。質量の大きい微惑星は、より小さな微惑星を集積する一方、衝突によって粉砕される微惑星もある。集積円盤は、小型の恒星、近接連星系の恒星残骸、あるいは物質に囲まれたブラックホール（銀河の中心にあるものなど）の周囲によく見られる。円盤内の動摩擦などの力学的な作用は、周回するガスが角運動量を失い、中心の巨大な天体に落下するために必要である。時折、これが恒星表面の核融合を引き起こすことがある（ボンディ集積を参照）。

地球型惑星や惑星核の形成には、いくつかの段階が考えられます。まず、ガスや塵の粒子が衝突すると、ファンデルワールス力や電磁力などの微視的なプロセスによって凝集し、マイクロメートルサイズの粒子を形成します。この段階では、集積メカニズムは主に非重力的な性質を持っています。^{[ 19 ]}しかし、センチメートルからメートルの範囲の微惑星の形成はよく理解されておらず、そのような粒子が単に跳ね返るのではなく集積する理由について説得力のある説明は提供されていません。^{[ 19 ] : 341}特に、これらの天体がどのようにして0.1～1 km (0.06～0.6 mi)サイズの微惑星に成長するのかはまだ明らかではありません。^{[ 5 ] [ 20 ]}この問題は「メートルサイズの障壁」として知られています: ^{[ 21 ] [ 22 ]}塵粒子は凝集によって成長するにつれて、周囲の他の粒子に対してますます大きな相対速度と系統的な内向きのドリフト速度を獲得し、破壊的な衝突を引き起こし、それによって凝集体の成長をある最大サイズに制限します。^{[ 23 ]} Ward (1996) は、ゆっくり動く粒子が衝突すると、衝突する粒子の非常に低いがゼロではない重力が、それらの脱出を妨げると示唆しています。^{[ 19 ] : 341}また、粒子の破砕は、小さな粒子を補充し、円盤を厚く保つだけでなく、あらゆるサイズの固体の比較的高い存在量を維持する上でも重要な役割を果たしていると考えられています。^{[ 23 ]}  

「メートルサイズ」の障壁を越えるためのメカニズムがいくつか提案されている。小石の局所的な集中が形成され、それが重力によって崩壊して大きな小惑星サイズの微惑星になる可能性がある。このような集中は、ガス円盤の構造により、例えば渦の間、圧力の隆起部、巨大惑星によって作られたギャップの端、または円盤の乱流領域の境界で受動的に発生する可能性がある。^{[ 24 ]}あるいは、粒子がストリーミング不安定性と呼ばれるフィードバック機構を介して集中に能動的な役割を果たす可能性がある。ストリーミング不安定性では、原始惑星系円盤内の固体とガスの相互作用により局所的な集中が成長し、小さな集中の後方に新しい粒子が蓄積され、それらが巨大なフィラメントに成長する。^{[ 24 ]}あるいは、塵の凝集によって形成される粒子が非常に多孔質である場合、その成長は自身の重力によって崩壊するのに十分な大きさになるまで続く可能性がある。これらの物体は密度が低いため、ガスと強く結合したままになり、それによって侵食や破砕につながる可能性のある高速衝突を回避できる。^{[ 25 ]}

粒子は最終的に集まって山ほどの大きさ（またはそれ以上）の微惑星と呼ばれる天体を形成します。微惑星間の衝突と重力相互作用が組み合わさって、およそ 0.1 ～ 100 万年かけて月ほどの大きさの惑星胚（原始惑星）が生成されます。最後に、惑星胚が衝突して 1000 万～ 1 億年かけて惑星が形成されます。^{[ 20 ]}微惑星は質量が大きいため、相互の重力相互作用は進化を計算する際に考慮に入れるほど重要です。^{[ 5 ]}ガス抵抗による小さな天体の軌道減衰によって成長が促進され、これにより、小さな天体が原始惑星の軌道の間に取り残されることがなくなります。^{[ 26 ] [ 27 ]}さらに衝突と集積が進むと、地球型惑星または巨大惑星の核が形成されます。

微惑星が局所的な小石の集中による重力崩壊によって形成された場合、それらが惑星胚や巨大惑星の核へと成長する過程は、小石のさらなる集積によって支配される。小石の集積は、物体が巨大な天体に向かって加速する際に受けるガス抵抗によって促進される。ガス抵抗によって小石は巨大な天体の脱出速度以下に減速され、螺旋状に巨大な天体に向かって進み、集積される。小石の集積は、微惑星の集積と比較して惑星の形成を1000倍加速させ、ガス円盤が消散する前に巨大惑星が形成されることを可能にする可能性がある。^{[ 28 ] [ 29 ]}しかし、小石の集積による核の成長は、天王星と海王星の最終的な質量と組成とは相容れないように見える。^{[ 30 ]}直接計算によると、典型的な原始惑星系円盤では、小石の集積による巨大惑星の形成時間は、微惑星の集積による形成時間と同程度である。^{[ 31 ]}

地球型惑星の形成は、木星型惑星とも呼ばれる巨大ガス惑星の形成とは異なります。地球型惑星を構成する粒子は、太陽系内側で凝縮した金属と岩石からできています。一方、木星型惑星は、太陽星雲から水素とヘリウムガスを取り込んだ、大きな氷の微惑星として始まりました。^{[ 32 ]}これら2種類の微惑星の区別は、太陽星雲の霜線によって生じます。 ^{[ 33 ]}

隕石には、小惑星の起源と進化のすべての段階における集積と衝突の記録が含まれていますが、小惑星の集積と成長のメカニズムはよく理解されていません。^{[ 34 ]}証拠は、小惑星の主な成長は、コンドリュールのガスによる集積によって生じる可能性があることを示唆しています。コンドリュールは、母小惑星に集積する前に、宇宙空間で溶融（または部分的に溶融）した液滴として形成されるミリメートルサイズの球状粒子です。^{[ 34 ]}太陽系内側では、コンドリュールは集積の開始に不可欠であったようです。^{[ 35 ]}小惑星の質量が小さいのは、2 AUを超えるとコンドリュールの形成が非効率的であるか、原始星付近からのコンドリュールの供給が非効率的であることに部分的に起因している可能性があります。^{[ 35 ]}また、衝突は小惑星の形成と破壊を制御し、その地質学的進化の主要な要因であると考えられています。^{[ 35 ]}

コンドリュール、金属粒子、その他の成分は太陽星雲で形成されたと考えられている。これらが集まって親小惑星を形成した。これらの天体の一部はその後溶融し、金属核とカンラン石に富むマントルを形成した。その他は水質変質を受けた。^{[ 35 ]}小惑星が冷えた後、45億年にわたって衝突によって侵食されたり、破壊されたりした。^{[ 36 ]}

集積が起こるためには、衝突速度が脱出速度の約2倍未満でなければならず、半径100 km (60 mi)の小惑星の場合、脱出速度は約140 m/s (460 ft/s )である。 ^{[ 35 ]}小惑星帯の集積に関する単純なモデルでは、一般的に、マイクロメートルサイズの塵の粒子がくっついて星雲の中央面に沈み、密度の高い塵の層を形成し、それが重力によってキロメートルサイズの微惑星の円盤に変化すると仮定されている。しかし、いくつかの議論では、小惑星はこのように集積しなかった可能性があることが示唆されている。^{[ 35 ]}    

彗星、あるいはその前駆天体は、惑星形成の数百万年前に太陽系の外縁部で形成されたと考えられています。^{[ 37 ]}彗星がどのように、いつ形成されたのかについては議論があり、太陽系の形成、力学、地質学にそれぞれ異なる影響を与えています。3次元コンピュータシミュレーションによると、彗星核で観測される主要な構造的特徴は、弱い彗星微天体の低速での対合による集積で説明できることが示されています。^{[ 38 ] [ 39 ]}現在最も有力な形成メカニズムは星雲仮説であり、彗星は惑星が成長した元の微惑星「構成要素」の残骸である可能性が高いと述べています。^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

天文学者たちは、彗星はオールトの雲と散乱円盤の両方から発生すると考えている。^{[ 43 ]}散乱円盤は、海王星が太陽にずっと近かった原始カイパーベルトに外側へ移動し、その軌跡に、海王星の軌道によって影響を受けることのない力学的に安定した天体の集団（カイパーベルト本体）と、近日点が十分に近く、海王星が太陽の周りを移動する際に依然として影響を与えることができる天体の集団（散乱円盤）を残したときに形成された。散乱円盤は力学的に活発であり、カイパーベルトは比較的力学的に安定しているため、現在では散乱円盤が周期彗星の最も可能性の高い起源点と見なされている。^{[ 43 ]}古典的なオールトの雲理論によれば、半径約50,000 AU (0.24 pc)の球体であるオールトの雲は、太陽星雲と同時に形成され、巨大惑星や恒星が近くを通過して重力の乱れを引き起こすと、時折彗星を太陽系内側に放出する。^{[ 44 ]}このような彗星雲の例は、すでにヘリックス星雲で観測されている可能性がある。^{[ 45 ]}  

ロゼッタ探査機は2015年に、彗星67P/チュリュモフ・ゲラシメンコに太陽の熱が表面に到達すると、埋もれた氷の蒸発（昇華）を引き起こすことを突き止めた。結果として生じた水蒸気の一部は核から逃げ出す可能性があるが、その80%は表面下の層で再凝縮する。^{[ 46 ]}この観測結果は、表面近くに露出している薄い氷に富む層は彗星の活動と進化の結果である可能性があり、全体的な層状構造は必ずしも彗星の形成史の初期に起こるわけではないことを示唆している。^{[ 46 ] [ 47 ]}ほとんどの科学者は、すべての証拠が彗星の核の構造が前世代のより小さな氷の微惑星の処理された瓦礫の山であることを示していると考えていたが、 ^{[ 48 ]}ロゼッタ探査機は彗星が異質な物質の「瓦礫の山」であるという考えを裏付けた。^{[ 49 ] [ 50 ]}彗星は、約100kmの天体として形成され、その後、圧倒的に地面に落下したり、再接触したりして現在の状態になったと考えられている。^{[ 51 ]}

• 太陽系の誕生が初めて「カメラに捉えられた」ネイチャーニュース、2025年7月16日