巨大衝突仮説

巨大衝突仮説（テイア衝突とも呼ばれる）は、1946年にカナダの地質学者レジナルド・デイリーによって初めて提唱された、月の形成に関する宇宙地質学の仮説である。この仮説は、約45億年前の冥王代初期（太陽系形成後約2000万年から1億年後_）に、原始地球が地球軌道のL4またはL5_{ラグランジュ}点付近にあった火星サイズの共軌道原始惑星と衝突し^{[ 3 ]} 、衝突によって放出された破片の一部が後に再集積して月を形成したと示唆している^{[ 4 ]} 。衝突した惑星は、月の女神セレネの母であるギリシャ神話の巨人テイアにちなんで、テイアと呼ばれることもある^{[ 5 ] 。}  

2016年の報告書に掲載された月の岩石の分析によると、衝突は直撃であり、母天体の破砕と徹底的な混合を引き起こした可能性がある。^{[ 6 ]}

巨大衝突説は現在、天文学者の間で月の形成に関する最も有力な仮説となっている。^{[ 7 ]}この仮説を裏付ける証拠としては、以下のようなものがある。

• 月の軌道は地球の自転と似た向きをしており、^{[ 8 ]}どちらも太陽系の黄道面に対して似た角度をなしている。
• 月と地球の岩石の安定同位体比は同一であり、共通の起源を示唆している。^{[ 9 ]}
• 地球・月系は異常に高い角運動量を有しており、これは地球の自転、月の自転、そして月の地球周回軌道運動に含まれる運動量が、他の地球型惑星のそれらよりも著しく高いことを意味する。巨大な衝突によって、この過剰な運動量が供給される可能性がある。
• 月のサンプルからは、月がかつて相当な深さまで溶融していたことが示唆されているが、その深さは不明である。これは、月の大きさや質量を持つ天体の集積によって得られるエネルギーをはるかに超えるエネルギーを必要とした可能性がある。巨大な衝突のような極めて高エネルギーなプロセスが、このエネルギーを供給したと考えられる。
• 月は比較的小さな鉄の核を持っているため、地球よりも密度がはるかに低い。火星サイズの天体が地球に巨大衝突した場合のコンピューターモデルによると、衝突体の核は地球内部深くまで侵入し、自身の核と融合する可能性が高い。もしそうなれば、月はロッシュ限界をはるかに超えて地球の重力に引き戻されず、地球と再融合しなかった、より軽い地殻とマントルの破片が合体して形成されたため、他の惑星に比べて残存する金属鉄の量が少なくなるだろう。
• 月は地球に比べて揮発性物質が少ない。比較的低い温度で蒸発するため、高エネルギーの現象が発生すると失われてしまう可能性があり、地球のように重力が小さくても月ではそれらを再び捕らえることができない。
• 他の恒星系でも同様の衝突が起こり、破片円盤が形成されたという証拠がある。
• 巨大衝突は、太陽系形成に関する有力な理論と矛盾しない。

しかし、巨大衝突仮説の現在の最良のモデルにはいくつかの疑問が残っています。^{[ 10 ]}このような巨大衝突のエネルギーは地球を加熱して全球マグマオーシャンを生成したと予測されており、その結果として地球のマントルに沈んだ重い物質の惑星分化の証拠が記録されています。^{[ 11 ]}しかし、巨大衝突イベントから始まり、破片が単一の衛星へと進化する過程を追跡する自己整合的なモデルはありません。

1898年、ジョージ・ダーウィンは、地球と月はかつて一つの天体であったという説を提唱した。ダーウィンの仮説は、溶融した月が遠心力によって地球から分離したというもので、これが学術界における主流の説明となった。^{[ 12 ]}彼はニュートン力学を用いて、月は過去には地球にずっと近い軌道を描いており、現在は地球から遠ざかっていると計算した。この漂流は後に、月に設置されたレーザー測距ターゲットを用いたアメリカとソ連の実験によって確認された。

しかしながら、ダーウィンの計算では、月が地球の表面に到達した経緯を説明するために必要な力学を解明することはできなかった。1946年、ハーバード大学のレジナルド・アルドワース・デイリーはダーウィンの説明に異議を唱え、月の形成は遠心力ではなく衝突によって引き起こされたと仮定するように修正した。^{[ 13 ]}デイリー教授の異議は、1974年の衛星に関する会議までほとんど注目されなかったが、その会議でこの考えが再び提起され、後に1975年にウィリアム・K・ハートマンとドナルド・R・デイビスによってIcarus誌に発表され、議論された。彼らのモデルは、惑星形成期の終わりに、惑星と衝突したり捕獲されたりする可能性のある衛星サイズの天体がいくつか形成されたことを示唆していた。彼らは、これらの天体の1つが地球に衝突し、難揮発性で揮発性の少ない塵を放出し、それが集まって月を形成した可能性があると提案した。この衝突は、月の独特な地質学的および地球化学的特性を説明できる可能性がある。^{[ 14 ]}

カナダの天文学者アラステア・GW・キャメロンとアメリカの天文学者ウィリアム・R・ウォードも同様のアプローチを取り、月は火星サイズの天体が地球に接線方向に衝突して形成されたと提唱した。衝突した天体の外側のケイ酸塩のほとんどは蒸発するが、金属の核は蒸発しないという仮説が立てられている。したがって、軌道上に放出された衝突物質のほとんどはケイ酸塩で構成され、合体した月は鉄が不足している。衝突中に放出されたより揮発性の高い物質はおそらく太陽系から脱出するが、ケイ酸塩は合体する傾向がある。^{[ 15 ]}

1984年10月に開催された月の起源に関する会議の18ヶ月前、ビル・ハートマン、ロジャー・フィリップス、ジェフ・テイラーは、他の月科学者たちにこう問いかけた。「君たちには18ヶ月ある。アポロ計画のデータを見直せ。コンピューターに戻って、必要なことは何でもやれ。とにかく結論を出せ。月の誕生について何か意見を述べられないなら、この会議には来るな。」1984年にハワイ州コナで開催された会議では、巨大衝突説が最も有力な仮説として浮上した。

会議前には、3つの「伝統的な」理論の支持者に加え、巨大衝突説を真剣に受け止め始めた人々が少数おり、議論が解決することはないだろうと考える無関心な中間層が大勢いた。会議後には、巨大衝突説支持派と不可知論者の2つのグループだけになった。^{[ 16 ]}

仮説上の原始惑星の名前は、月の女神セレネを生んだギリシャ 神話の巨人テイア/ ˈ θ iː ə /に由来する。この名称は、2000 年にイギリスの地球化学者アレックス・N・ハリデーによって最初に提案され、科学界で受け入れられるようになった。^{[ 5 ] [ 17 ]}現代の惑星形成理論によれば、テイアは 45 億年前に太陽系に存在した火星サイズの天体の集団の一部であった。テイアは地球と太陽の系が示すL ₄または L ₅の配置で公転していたと仮説が立てられており、そこに留まる傾向がある。巨大衝突仮説の魅力的な特徴の 1 つは、月と地球の形成が一致することである。地球は形成の過程で、惑星サイズの天体と数十回の衝突を経験したと考えられている。月形成時の衝突は、そのような「巨大衝突」の 1 つにすぎず、確かに最後の重要な衝突イベントであった。はるかに小型の小惑星による後期重爆撃期は、それよりも後の約39億年前に起こった可能性がある。 

天文学者たちは、地球とテイアの衝突は約 44 億～ 44.5 億年前 ( bya ) に起こったと考えている。これは太陽系が形成され始めてから約 0.1 億年後のことである。^{[ 18 ] [ 19 ]}天文学的には、衝突速度は中程度であった。テイアは地球がほぼ完全に形成されたときに斜めの角度で地球に衝突したと考えられている。この「後期衝突」シナリオのコンピュータ シミュレーションでは、衝突体の初期速度は「無限遠」（重力の引力が影響しないほど遠い）で毎秒 4 キロメートル (2.5 mi/s)未満であり、接近するにつれて衝突時には毎秒9.3 km (5.8 mi/s)を超え、衝突角度は約 45° であったと示唆している。^{[ 20 ]}しかし、月の岩石中の酸素同位体の存在量は、テイアと地球の「激しい混合」を示唆しており、急な衝突角度を示している。^{[ 6 ] [ 21 ]}テイアの鉄の核は若い地球の核に沈み込み、テイアのマントルの大部分は地球のマントルに付着した。しかし、テイアと地球の両方のマントル物質のかなりの部分は、地球の周回軌道（軌道速度と脱出速度の間の速度で放出された場合）または太陽の周回軌道（より高速で放出された場合）に放出された。   

モデル化^{[ 22 ]}では、地球の周回軌道上の物質が3つの連続した段階で集積して月を形成した可能性があると仮説を立てている。まず、地球のロッシュ限界の外側に最初に存在していた天体から集積し、内側の円盤物質をロッシュ限界内に閉じ込める働きをした。内側の円盤はゆっくりと粘性的に地球のロッシュ限界まで広がり、共鳴相互作用によって外側の天体を押し進めた。数十年後、円盤はロッシュ限界を超えて広がり、新しい天体を生み出し始め、月の成長を続け、数百年後に内側の円盤の質量が枯渇した。安定したケプラー軌道上の物質は、その後いつか地球・月系に衝突した可能性が高い（地球・月系の太陽を周回するケプラー軌道も安定しているため）。このような事象のコンピュータシミュレーションに基づく推定では、テイアの元の質量の約20%が地球の周回軌道上の破片の環となり、この物質の約半分が月へと凝縮したとされている。地球はこのような衝突によって相当量の角運動量と質量を獲得しただろう。衝突前の地球の自転速度と傾きに関係なく、衝突後には地球の1日は約5時間になり、地球の赤道と月の軌道は同一平面になっただろう。^{[ 23 ]}

リングの物質すべてがすぐに掃き集められたわけではない。月の裏側の厚い地殻は、直径約1,000 km (620マイル)の 2 番目の衛星が月のラグランジュ点に形成された可能性を示唆している。この小さな衛星は、数千万年にわたって軌道上に留まっていた可能性がある。2 つの衛星が地球から外側へ移動するにつれて、太陽​​の潮汐効果によってラグランジュ軌道が不安定になり、低速衝突が発生して、小さな衛星が現在の月の裏側に「押しつぶされ」、地殻に物質が加わったと考えられる。^{[ 24 ] [ 25 ]} 月のマグマは裏側の厚い地殻を貫通できないため、月の海は少なく、一方、表側は地殻が薄く、地球から見える大きな月の海が見られる。^{[ 26 ]}  

シミュレーションの高解像度閾値を超えると、2022年に発表された研究では、巨大衝突によって、月と質量と鉄含有量が類似した衛星が地球のロッシュ限界のはるか外側の軌道に即座に配置される可能性があることがわかった。ロッシュ限界内を最初に通過する衛星でさえ、部分的に剥ぎ取られ、より広く安定した軌道にねじられることで、確実かつ予測可能な形で生き残ることができる。さらに、これらの直接形成された衛星の外層は、より低温の内部で溶融しており、約60%が原始地球物質で構成されている。これは、月の地球に似た同位体組成と、衝突体に予想される異なる特徴との間の矛盾を緩和する可能性がある。即時形成は、月の初期の軌道と進化に関する新たな選択肢を開き、月の傾斜を説明するために高度に傾斜した軌道の可能性を含め、月の起源に関するより単純な単一段階のシナリオを提供する。^{[ 27 ]}

2001年、カーネギー研究所のチームは、アポロ計画で採取された岩石は地球の岩石と同一の同位体組成を持ち、太陽系の他のほとんどすべての天体とは異なっていると報告した。^{[ 9 ]}

2014年、ドイツの研究チームは、アポロ計画で採取されたサンプルが地球の岩石とはわずかに異なる同位体組成を示したと報告した。^{[ 28 ]}その差はわずかであったが、統計的に有意であった。考えられる説明の一つは、テイアが地球の近くで形成されたというものである。^{[ 29 ]}

組成が非常に類似していることを示すこの実証データは、標準的な巨大衝突仮説によってのみ説明できる。なぜなら、衝突前の2つの天体がこれほど類似した組成を持っていたとは極めて考えにくいからである。

巨大衝突シナリオの間接的な証拠は、アポロ月面着陸時に採取された岩石から得られ、それらの酸素同位体比は地球のものとほぼ同じである。月の地殻の高度に斜長岩質の組成と、KREEPに富むサンプルの存在は、月の大部分がかつて溶融状態であったことを示唆しており、巨大衝突シナリオは、そのようなマグマオーシャンを形成するのに必要なエネルギーを容易に供給できた可能性がある。いくつかの証拠は、月が鉄に富む核を持つ場合、それは小さいものでなければならないことを示している。特に、月の平均密度、慣性モーメント、自転特性、および磁気誘導応答はすべて、その核の半径が月の半径の約25%未満であることを示唆しており、これは他のほとんどの地球型天体の約50%とは対照的である。地球-月系の角運動量制約を満たす適切な衝突条件は、地球と衝突体のマントルから主に形成された月を生み出し、衝突体の核は地球に付着する。^{[ 36 ]}地球は太陽系の惑星の中で最も密度が高い。^{[ 37 ]}衝突天体の核の吸収は、初期の地球とテイアの特性を考慮すると、この観測結果を説明する。

月の試料の亜鉛同位体組成を地球や火星の岩石のそれと比較すると、衝突仮説のさらなる証拠が得られる。^{[ 38 ]}亜鉛は惑星の岩石中で揮発すると強く分別されるが、 ^{[ 39 ] [ 40 ]}通常の火成作用では分別されないため、^{[ 41 ]}亜鉛の存在量と同位体組成によって2つの地質学的プロセスを区別することができる。月の岩石は、対応する地球や火星の火成岩よりも亜鉛の重同位体が多く、亜鉛の総量は少ない。これは、巨大衝突起源で予想されるように、亜鉛が蒸発によって月から枯渇したという説と一致する。^{[ 38 ]}

地球の重力から逃れた噴出物と小惑星との衝突は、石質隕石に衝突加熱の痕跡を残したはずである。この効果の存在を仮定した分析に基づいて、衝突イベントの年代は44億7000万年前と推定されており、他の方法で得られた年代と一致している。^{[ 42 ]}

スピッツァー宇宙望遠鏡は、ベータ・ピクトリス運動星団の近傍（29 pc の距離）にある若い（約 12 00万年前）恒星HD 172555の周囲で、岩石天体間の高速衝突（10 km/s以上）によって生成された、シリカに富む暖かい塵と SiO ガスを検出した。^{[ 43 ]}プレアデス星団の若い恒星HD 23514から 0.25AU から 2AU の間の領域にある暖かい塵の帯は、テイアが原始地球に衝突したと予測される結果と似ており、惑星サイズの天体が互いに衝突した結果であると解釈されている。^{[ 44 ]}同様の暖かい塵の帯が恒星BD+20°307（HIP 8920、SAO 75016）の周囲で検出された。^{[ 45 ]}    

2023年11月1日、科学者たちは、コンピューターシミュレーションによると、テイアの残骸は地球のマントルの2つの巨大な異常として地球内部にまだ見える可能性があると報告した。^{[ 46 ] [ 47 ]}

この月の起源仮説には、まだ解決されていないいくつかの困難がある。例えば、巨大衝突仮説は、衝突後に地表にマグマの海が形成されたことを示唆している。しかし、地球にそのようなマグマの海が存在したという証拠はなく、マグマの海で処理されたことのない物質が存在する可能性が高い。^{[ 48 ]}

2004年、プリンストン大学の数学者エドワード・ベルブルーノと天体物理学者J・リチャード・ゴット3世は_、テイアが地球に対してL4またはL5_{ラグランジュ}点（ほぼ同じ軌道で、約60°前方または後方）で合体したと提唱した^{[ 3 ] [ 60 ]}。これはトロヤ群小惑星に似ている^{[ 8 ]} 。2次元コンピュータモデルは、テイアの提案されたトロヤ群軌道の安定性は、その増大する質量が地球の質量の約10%（火星の質量）の閾値を超えたときに影響を受けたことを示唆している^{[ 3 ]} 。このシナリオでは、微惑星による重力摂動によりテイアは安定したラグランジュ位置から外れ、その後の原始地球との相互作用により2つの天体の衝突が起こった^{[ 3 ] 。}

2008年には、衝突が45.3億年前という既定値よりも後の約44.8億年前に起こった可能性を示唆する証拠が提示された。^{[ 61 ]} 2014年のコンピューターシミュレーションと地球のマントルにおける元素存在量の測定値との比較では、衝突は太陽系の形成後約9500万年後に起こったことが示された。^{[ 62 ]}   

衝突によって他の重要な天体が生成された可能性があり、それらはラグランジュ点に留まり、地球と月の間の軌道上にとどまった可能性があると示唆されている。そのような天体は、他の惑星の重力による引力によってシステムが不安定になり、天体が解放されるまで、1億年もの間、地球-月系内にとどまっていた可能性がある。^{[ 63 ]} 2011年に発表された研究では、月とこれらの小さな天体の1つとのその後の衝突が、月の2つの半球間の物理的特性の顕著な違いを引き起こしたと示唆されている。^{[ 64 ]}シミュレーションによって裏付けられたこの衝突は、クレーターを形成しないほど十分に低い速度であったと考えられている。代わりに、小さな天体からの物質が月全体に広がり（後の裏側となる）、厚い高地地殻層が加わった。^{[ 65 ]}その結果生じた質量の不規則性は、その後、月の潮汐固定をもたらす重力勾配を生み出し、今日では地球から見えるのは月の表側だけになっている。しかし、GRAILミッションによるマッピングの結果、このシナリオは否定された。

2019年、ミュンスター大学の研究チームは、地球の原始マントルのモリブデン同位体組成が太陽系の外縁部に由来することを報告し、地球上の水の起源を示唆した。考えられる説明の一つは、テイアが太陽系の外縁部に起源を持つというものである。^{[ 66 ]}

月の起源についてこれまで様々な時期に提唱されてきた他のメカニズムとしては、月が地球の溶融した表面から遠心力によって分離したというもの^{[ 12 ]}、月が別の場所で形成され、その後地球の重力場に捕らえられたというもの^{[ 67 ]} 、あるいは地球と月が同じ集積円盤から同じ時間と場所で形成されたというものなどがある。これらの仮説のいずれも、地球-月系の高い角運動量を説明できない^{[ 23 ] 。}

別の仮説では、月の形成は、これまで考えられていたよりもずっと後に、大きな小惑星が地球に衝突したことによるもので、衛星は主に地球の破片から形成されたとしている。この仮説では、月の形成は太陽系の形成から 6000 万～ 1 億 4000 万年後に起こるとされている (仮説上のテイア衝突は 45 億 2700 万 ± 1 億年前)。^{[ 68 ]}このシナリオでは、小惑星の衝突により、地球と原始月にマグマの海が形成され、両天体は共通のプラズマ金属蒸気大気を共有した。共有された金属蒸気ブリッジにより、地球と原始月の物質が交換され、より共通の組成に平衡化したと考えられる。^{[ 69 ] [ 70 ]}

また別の仮説では、月と地球はかつて遠く離れていた天体の衝突からではなく、一緒に形成されたとされている。2012年にロビン・M・カヌップによって発表されたこのモデルは、月と地球はそれぞれ火星よりも大きい2つの惑星天体の大規模な衝突から形成され、その後、それらが再び衝突して現在の地球が形成されたと示唆している。^{[ 71 ] [ 72 ]}再衝突後、地球は物質の円盤に囲まれ、それが集積して月が形成された。^{[ 72 ]}

月 –オシアナス・プロセララム(「嵐の海」)

古代の地溝帯– 長方形の構造（目視可能 – 地形 – GRAIL重力勾配）（2014年10月1日）

古代の地溝帯― 背景

古代の地溝帯– クローズアップ（アーティストによるイメージ図）

• 惑星科学研究所：巨大衝突仮説
• AGWキャメロン教授著『月の起源』
• JavaScriptを使用したクレンペラーロゼットとラグランジュ点のシミュレーション
• SwRI巨大衝突仮説シミュレーション（.wmvおよび.mov形式）
• 月の起源 ― 集積のコンピューターモデル
• 月面アーカイブ– 巨大衝突仮説に関する記事を含む
• 惑星衝突で蒸発した岩石と熱い溶岩が飛び散る（2012年2月7日アーカイブ、Wayback Machine）（2009年8月10日 JPLニュース）
• 地球・月系はどれくらい一般的か？arXiv : 1105.4616 : 2011年5月23日
• 月形成の巨大衝突後の地球の驚くべき状態– サラ・スチュワート（SETIトーク）、2015年1月28日