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。この仮説では、初期の地球が約45億年前の冥王代初期（太陽系が合体してから約2000万年から1億年後）に同じ軌道にある火星サイズの原始惑星と衝突し、衝突の噴出物が後に集積して月が形成されたとされている。^[1]衝突した惑星は、月の女神セレーネの母親であるギリシャ神話のタイタンにちなんでテイアと呼ばれることもある。 ^[2]

2016年に発表された月の岩石の分析によると、衝突は直撃であり、両方の親天体の破片化と徹底的な混合を引き起こした可能性があることが示唆されている。^[3]

巨大衝突仮説は現在、天文学者の間で月の形成に関する有力な仮説となっている。^[4]この仮説を支持する証拠には以下のものがある。

• 月の軌道は地球の自転と似た方向を向いており^[5]、どちらも太陽系の黄道面に対して同様の角度をなしています。
• 月の岩石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。^[6]
• 地球・月系は異常に高い角運動量を有しており、地球の自転、月の自転、そして地球の周りを回る月に含まれる運動量は、他の地球型惑星よりもかなり高い。この過剰な運動量は、巨大衝突によって供給された可能性がある。
• 月のサンプルは、月がかつて相当な深さまで（ただしその深さは不明）溶けていたことを示しています。これには、月の大きさと質量の天体の集積から得られると予測されるよりもはるかに多くのエネルギーが必要だった可能性があります。このエネルギーは、巨大衝突などの極めてエネルギーの大きいプロセスによって得られる可能性があります。
• 月の鉄の 核は比較的小さく、そのため密度は地球よりはるかに低い。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モデルでは、衝突天体の核が地球の奥深くまで浸透し、自身の核と融合する可能性が高いことが示されている。ロッシュ限界を超えて重力で引き戻されずに地球と再融合しなかった軽い地殻とマントルの破片の噴出物から形成された月には、他の惑星よりも金属鉄の残留量が少なくなる。
• 月は地球に比べて揮発性元素が少ない。比較的低い温度で蒸発するため、高エネルギーの出来事で揮発性元素が失われる可能性があるが、月の重力が小さいため、地球のように揮発性元素を再び捕らえることはできない。
• 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ります。
• 巨大衝突は太陽系の形成に関する主要な理論と一致している。

しかし、巨大衝突仮説の現在の最良のモデルに関しては、いくつかの疑問が残っている。^[7]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規模のマグマオーシャンを形成したと予測されており、その結果、地球のマントルに沈み込んだ重い物質が惑星間で分化した証拠が文書化されている。^{[8]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たどる自己矛盾のないモデルは存在しない。残る疑問としては、月が}揮発性元素の一部を失ったのはいつか、 形成中に巨大衝突を経験した金星^[要出典] に同様の衛星がないのはなぜかなどがある。

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、溶けた月が遠心力によって地球から回転したというもので、これが学術的な説明の主流となった。^[9]彼はニュートン力学を用いて、月はかつて地球よりはるかに近い軌道を回っており、地球から離れつつあると計算した。この移動は後に、月に設置された レーザー測距ターゲットを使用したアメリカとソ連の実験によって確認された。

それにもかかわらず、ダーウィンの計算では、月を地球の表面までさかのぼるために必要な力学を解明できなかった。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、月は遠心力ではなく衝突によって形成されたという仮説を修正した。^[10]デイリー教授の異議は、1974年の衛星に関する会議でこの考えが再導入され、後にウィリアム・K・ハートマンとドナルド・R・デイビスによって1975年にイカロスで発表され議論されるまで、ほとんど注目されなかった。彼らのモデルは、惑星形成期の終わりに、惑星に衝突するか捕獲され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た。彼らは、これらの天体の1つが地球に衝突し、難分解性で揮発性の少ない塵を放出し、それが合体して月を形成した可能性があると提唱した。この衝突は、月のユニーク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。^[11]

カナダの天文学者アラスター・GW・キャメロンとアメリカの天文学者ウィリアム・R・ワードも同様のアプローチをとっており、彼らは月は火星サイズの天体が地球に衝突して形成されたと示唆した。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、合体した月には鉄が不足する。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逃げ出すだろうが、ケイ酸塩は合体する傾向がある。^[12]

1984 年 10 月に開催された月の起源に関する会議の 18 か月前、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挑発した。「君たちには 18 か月ある。アポロのデータを調べ、コンピューターに戻って、やるべきことは何でもやって、でも決断を下してくれ。月の誕生について何か言うことがなければ、我々の会議に来ないでくれ」。1984 年にハワイのコナで開催された会議では、巨大衝突説が最も有力視された説として浮上した。

会議前は、3つの「伝統的な」理論を支持する人々と、巨大衝突を真剣に受け止め始めた少数の人々、そして議論が決着することはないと考える無関心な中間層が大勢いた。会議後は、基本的に巨大衝突派と不可知論者の2つのグループだけになった。^[13]

仮説上の原始惑星の名前は、月の女神セレーネを生んだギリシャ神話の 巨人テイア （Theia / 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た。^{[2] [14]}現代の惑星形成理論によると、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。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していることである。地球は、その形成の過程で、惑星サイズの天体との衝突を何十回も経験したと考えられている。月を形成した衝突は、そのような「巨大衝突」の1つに過ぎないが、最後の重要な衝突イベントであることは間違いない。はるかに小さな小惑星による後期重爆撃は、それより後、約39億年前に発生した可能性がある。

天文学者たちは、地球とテイアの衝突が約44億～44.5億年前（億年前）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1億年後のことである。^{[15] [16]}天文学的に言えば、衝突の速度は中程度だっただろう。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ーシミュレーションでは、衝突体の初期速度は「無限大」（重力が影響しないほど遠い距離）で毎秒4キロメートル（2.5マイル）未満で、衝突に近づくにつれて毎秒9.3キロメートル（5.8マイル）以上に増加し、衝突角度は約45°であることが示唆されている。 ^[17]しかし、月の岩石中の酸素 同位体の豊富さは、テイアと地球の「激しい混合」を示唆しており、衝突角度が急であったことを示している。^{[3] [18]}テイアの鉄の核は若い地球の核に沈み、テイアのマントルの大部分は地球のマントルに吸収された。しかし、テイアと地球の両方からのマントル物質のかなりの部分は、地球の周りの軌道上に放出された（軌道速度と脱出速度の間の速度で放出された場合）、または太陽の周りの個々の軌道上に放出された（より高速で放出された場合）。

モデル化^[19]では、地球の周りを周回する物質が3つの連続した段階で集積して月を形成したという仮説が立てられている。最初は地球のロッシュ限界の外側に最初に存在した天体から集積し、内側の円盤の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を帯びて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のけた。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て月の成長を継続させ、数百年後に内側の円盤の質量がなくなった。そのため、安定したケプラー軌道にある物質は、後日地球-月系に衝突した可能性が高い(地球-月系の太陽の周りのケプラー軌道も安定しているため)。そのようなイベントのコンピューター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%が地球の周りを周回する破片のリングとなり、この物質の約半分が月に凝集したと示唆されている。このような衝突により、地球は相当量の角運動量と質量を獲得したであろう。衝突前の地球の自転速度と傾きに関わらず、衝突後5時間ほどの1日を経験し、地球の赤道と月の軌道は同一平面になったであろう。^[20]

リングの物質がすべてすぐに吸い上げ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 mi) の2番目の月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。小さい方の月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つの月が地球から外側に移動するにつれて、太陽​​の潮汐作用によってラグランジュ軌道が不安定になり、その結果、低速の衝突によって小さい方の月が現在の月の裏側に「パンケーキ」のように押しつぶされ、地殻に物質が追加されたと考えられる。^{[21] [22]} 月のマグマは裏側の厚い地殻を突き抜けることができないため、月の海は少なくなるが、表側には地球から見える大きな海を示す薄い地殻がある。^[23]

2022年に発表された研究では、シミュレーションの高解像度の閾値を超えると、巨大衝突によって、月と同程度の質量と鉄含有量を持つ衛星が、地球のロッシュ限界をはるかに超えた軌道に即座に配置される可能性があることがわかっています。最初はロッシュ限界内を通過した衛星であっても、部分的に剥がされてからより広く安定した軌道にねじ込まれることで、確実かつ予測通りに生き残ることができます。さらに、これらの直接形成された衛星の外層は、より冷たい内部で溶融しており、約60％の原始地球物質で構成されています。これにより、月の地球のような同位体組成と、衝突体に予想される異なる特徴との間の緊張が緩和される可能性があります。即時形成は、月の傾斜を説明するために大きく傾いた軌道の可能性など、月の初期の軌道と進化に関する新しいオプションを開き、月の起源に関するより単純な一段階のシナリオを提供します。^[24]

2001年、ワシントンのカーネギー研究所のチームは、アポロ計画の岩石は地球の岩石と同一の同位体特性を持ち、太陽系の他のほとんどの天体とは異なっていたと報告した。^[6]

2014年、ドイツの研究チームは、アポロのサンプルの同位体組成が地球の岩石とわずかに異なると報告した。^[25]違いはわずかだが、統計的に有意であった。考えられる説明の1つは、テイアが地球の近くで形成されたということである。^[26]

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可能性は極めて低いため、組成が非常に類似していることを示すこの経験的データは、標準的な巨大衝突仮説によってのみ説明できる。

2007 年、カリフォルニア工科大学の研究者らは、テイアが地球と同一の同位体シグネチャを持つ可能性は非常に低い (1 パーセント未満) ことを示しました。^[27]彼らは、巨大衝突の余波で地球と原始月円盤が溶融して蒸発した一方で、2 つの貯留層は共通のケイ酸塩蒸気大気によって接続され、地球 - 月系は連続流体の形で存在しながら対流攪拌によって均質化されたと提唱しました。衝突後の地球と原始月円盤の間のこのような「平衡」は、アポロ岩石と地球内部の岩石の同位体類似性を説明する唯一のシナリオです。ただし、このシナリオが実現可能であるためには、原始月円盤が約 100 年間持ちこたえなければなりません。これが可能かどうかを判断するための 作業が進行中です^{[いつ? ] 。}

ベルン大学の物理学者アンドレアス・ロイファーとその同僚によるシミュレーションに基づく地球と月の類似した構成を説明する研究（2012年）によると、テイアは地球をかすめるのではなく、直接地球に衝突したという。衝突速度は当初想定されていたよりも高かった可能性があり、この高い速度によってテイアは完全に破壊された可能性がある。この修正によると、テイアの構成はそれほど制限されず、最大50％の水氷の構成が可能になる。^[28]

2018年に衝突の産物を均質化するための試みの1つは、衝突前の回転速度を上げることで主天体にエネルギーを与えることだった。こうすることで、主天体からより多くの物質が放出され、月が形成される。さらにコンピューターモデリングを行った結果、地球以前の天体が非常に高速で回転し、新しい天体を形成することで観測結果が得られることが判明した。この天体は「シネスティア」と名付けられた。これは不安定な状態であり、自転速度を十分に速くするためにさらに別の衝突によって生成された可能性がある。この過渡的構造をさらにモデリングすると、ドーナツ状の物体（シネスティア）として回転する主天体は、約1世紀（非常に短い期間）^[要出典]存在し、その後冷えて地球と月が誕生したことが明らかになった。^{[29] [30]}

2019年に発表された、地球と月の組成の類似性を説明する別のモデルでは、地球が形成されて間もなく、地球は高温のマグマの海に覆われ、衝突した物体は固体でできていた可能性が高いと仮定している。モデル化により、衝突によってマグマが衝突物体の固体よりも大幅に加熱され、原始地球からより多くの物質が放出され、月形成の残骸の約80％が原始地球に由来することが示唆されている。以前の多くのモデルでは、月の80％が衝突物体から来たと示唆されていた。^{[31] [32]}

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収集された岩石から得られ、その酸素 同位体比は地球とほぼ同じである。月の地殻の高度に斜長岩質な構成と、KREEPに富むサンプルの存在は、月の大部分がかつて溶融していたことを示唆しており、巨大衝突シナリオは、そのようなマグマの海を形成するため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、月に鉄に富む核がある場合、それは小さな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、回転シグネチャ、および磁気誘導応答はすべて、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、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により、月は主に地球と衝突体のマントルから形成され、衝突体の核は地球に集積する。 ^[33]地球は太陽系のすべての惑星の中で最も密度が高い。^[34]衝突体の核の吸収は、初期の地球とテイアの提案された特性を考慮すると、この観察結果を説明できる。

月のサンプルの亜鉛同位体組成を地球や火星の岩石と比較すると、衝突仮説のさらなる証拠が得られる。^[35] 亜鉛は惑星の岩石で揮発すると強く分別されるが、^{[36] [37]}通常の火成作用では分別されないため、^[38]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。月の岩石には、地球や火星の対応する火成岩よりも亜鉛の重い同位体が多く含まれ、全体的に亜鉛が少ない。これは、巨大衝突起源として予想されるように、月から亜鉛が蒸発によって枯渇したことと一致している。^[35]

地球の重力から逃れた噴出物と小惑星の衝突により、石質隕石に衝突加熱の痕跡が残る。この効果の存在を仮定した分析により、衝突の年代は44億7千万年前と推定され、他の方法で得られた年代と一致している。^[39]

岩石天体同士の高速衝突（秒速10 km（6.2 mi/s）以上）によって生じた、温かいシリカを豊富に含む塵と豊富なSiOガスが、スピッツァー宇宙望遠鏡によって、近傍（距離29 pc）の若い（年齢約12 My）恒星HD 172555の周囲で検出された。^[40]プレアデス星団の若い恒星HD 23514から0.25AUから2AUの間の領域にある温かい塵の帯は、テイアが初期の地球に衝突した際に予測された結果と似ており、惑星サイズの天体同士の衝突の結果であると解釈されている。^{[41]同様の温かい塵の帯が恒星}BD+20°307（HIP 8920、SAO 75016）の周囲でも検出された。 ^[42]

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、テイアの残骸が地球のマントルの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。^{[43] [44]}

この月起源説には、まだ解決されていないいくつかの難点がある。例えば、巨大衝突説は、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あっ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。^[45]

いくつかの構成上の矛盾に対処する必要があります。

• 月の揮発性元素の比率は巨大衝突仮説では説明できない。巨大衝突仮説が正しいとすれば、これらの比率は他の原因によるものであるに違いない。^[45]
• 月の玄武岩に閉じ込められた水や月面からの炭素放出などの揮発性物質の存在は、月が高温の衝突によって形成されたとすれば、説明がより困難になる。 ^{[46] [47]}
• 月の酸化鉄（FeO）含有量（13％）は火星（18％）と地球のマントル（8％）の中間であり、原始月の物質の起源の大部分が地球のマントルではないことを示しています。^[48]
• もし原始月の物質の大部分が衝突物から来たものなら、月には親鉄性元素が豊富に含まれるはずだが、実際にはそれらは不足している。^[49]
• 月の酸素同位体比は、地球のものと本質的に同一である。^[6]酸素同位体比は非常に正確に測定することができ、太陽系の各天体に固有の特徴を与える。^[50]もし別の原始惑星テイアが存在していたとしたら、おそらく地球とは異なる酸素同位体の特徴を持っていただろうし、噴出した混合物質も同様であっただろう。^[51]
• 月のチタン同位体比（⁵⁰ Ti/ ⁴⁷ Ti）は地球のそれに非常に近い（4 ppm以内）ため、衝突した天体の質量のうち、月が占める割合はごくわずかである可能性が高い。^{[52] [53]}

月がこのような衝突によって形成されたのであれば、他の内惑星も同じような衝突を受けた可能性がある。このプロセスによって金星の周囲に形成された月は、おそらく逃れられなかっただろう。もしそのような月形成イベントがそこで起こったのであれば、なぜ金星にそのような月がないのかという説明として、最初の衝突による角運動量を相殺する2度目の衝突が起こったということが考えられる。 ^[54]もう1つの可能性は、太陽からの強い潮汐力が、近くの惑星の周りの月の軌道を不安定にする傾向があるということである。このため、金星の自転速度が遅いのが歴史の初期に始まったのであれば、直径が数キロメートルを超える衛星はおそらく内側に螺旋状に回転し、金星に衝突しただろう。^[55]

地球型惑星形成の混沌とし​​た時期のシミュレーションでは、月を形成したとされる衝突は一般的であったことが示唆されている。質量が地球の 0.5 ～ 1 倍の典型的な地球型惑星の場合、このような衝突によって通常、ホスト惑星の質量の 4% を含む単一の衛星が形成される。結果として生じる衛星の軌道の傾きはランダムであるが、この傾きはシステムのその後の動的進化に影響を与える。たとえば、軌道によっては、衛星が惑星に螺旋状に戻ってくることがある。同様に、惑星が恒星に近いことも軌道の進化に影響を与える。最終的な効果は、衝突によって生成された衛星が、より遠い地球型惑星を周回し、惑星の軌道と一直線になっている場合、生き残る可能性が高くなるということである。^[56]

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ラグランジュ点L4またはL5（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。 ^{[57] [58]これは}トロヤ小惑星に似ている。^[5] 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軌道の安定性は、その増大する質量が地球の質量（火星の質量）の約10％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。^{[57]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離れ、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。^[57]

2008年には、衝突は従来認められている453億年前よりも遅く 、約448億年前に起こった可能性があることを示唆する証拠が提示された。^[59] 2014年に行われたコンピューターシミュレーションと地球マントルの元素存在比の測定値の比較では、衝突は太陽系の形成後約9500万年頃に起こったことが示された。^[60]

この衝突によって他の重要な物体も生成された可能性があり、それらはラグランジュ点に引っかかったまま地球と月の間の軌道上に留まっていた可能性があると示唆されている。そのような物体は、他の惑星の重力の引っ張りによってシステムが不安定になり、物体が解放されるまで、1億年もの間地球-月系内に留まっていた可能性がある。^{[61] 2011年に発表された研究では、その後の月とこれらの小天体の1つとの衝突が、月の両半球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。 [62]}この衝突は、シミュレーションによって裏付けられているが、クレーターを形成できないほど低速であった。代わりに、小天体の物質は月全体に広がり（後の月の裏側）、高地の厚い層を加えた。^{[63]結果として生じた質量の不規則性はその後重力勾配を生み出し、月の}潮汐ロックを引き起こしたため、今日では地球から見えるのは表側だけである。しかし、GRAILミッションによるマッピングでは、このシナリオは除外されました。^{[引用が必要]}

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外縁部に由来し、地球上の水の源を示唆していると報告した。一つの説明として、テイアは太陽系外縁部に起源を持つ可能性がある。^[64]

月の起源については、これまでにさまざまな説が提唱されてきたが、月は地球の溶融表面から遠心力によって回転して飛び出したという説や、^[9]月は他の場所で形成され、その後地球の重力場に捕らえられたという説、 ^{[65]あるいは、地球と月が同じ}降着円盤から同じ時期に同じ場所で形成されたという説などがある。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。 ^[20]

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の、地球への大型小惑星の衝突によるもので、衛星は主に地球の破片から作られたとしている。この仮説では、月の形成は太陽系形成の6000万～1億4000万年後に起こる（テイア衝突の仮説では45億2700万±0.010億年後）。^[66]このシナリオでは、小惑星の衝突により地球と原始月には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ていた。共有された金属蒸気橋により、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。^{[67] [68]}

さらに別の仮説では、月と地球はかつては離れていた天体の衝突ではなく、一緒に形成されたと提唱されている。2012年にロビン・M・カナ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つの惑星の大規模な衝突から形成され、その後再衝突して現在の地球を形成したと示唆している。 ^{[69] [70]}再衝突後、地球は物質の円盤に囲まれ、それが集まって月を形成した。この仮説は、他の仮説では説明できない証拠を説明できる可能性がある。^[70]

学術論文

非学術書

• 惑星科学研究所: 巨大衝突仮説
• AGW キャメロン教授による月の起源
• JavaScript を使用したクレンペラー ロゼットとラグランジアン ポイント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)
• 月の起源 – 集積のコンピュータモデル
• 月アーカイブ – 巨大衝突仮説に関する記事を含む
• 惑星衝突により蒸発した岩石と熱い溶岩が飛散 2012-02-07 にWayback Machineでアーカイブ(2009-08-10 JPL ニュース)
• 地球-月系惑星系はどのくらい一般的か? 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