グランドタック仮説

惑星天文学におけるグランドタック仮説は、木星が太陽から3.5 AUの距離で形成され、その後1.5 AUまで内側に移動し、軌道共鳴で土星を捕らえたために進路を逆転し、最終的に現在の軌道の5.2 AU付近で停止したと提唱している。木星の惑星移動の逆転は、風に逆らって進む帆船の進路を変える（タックする）ことに例えられる。 ^[1]

微惑星円盤は木星の移動によって1.0 AUで切断され、火星の形成に利用できる物質が制限されます。^[2]木星は小惑星帯を2回横切り、小惑星を外側に、次に内側に散乱させます。その結果生じた小惑星帯は、質量が小さく、傾斜と離心率の範囲が広く、木星の元の軌道の内側と外側の両方から発生した集団があります。^{[3]木星の前方に押し流された微惑星間の衝突によって生成された破片が、初期の惑星世代を}太陽に追いやった可能性があります。^[4]

グランド・タック仮説では、木星は形成後に2段階の移動を経て、1.5  AUまで内側に移動し、その後方向を変えて外側に移動しました。木星の形成は、およそ 3.5 AU の氷線の近くで起こりました。

ガス円盤の隙間を抜けた後、木星はタイプ II の移動を起こし、ガス円盤とともにゆっくりと太陽に向かって移動しました。この移動が中断されなければ、木星は他の惑星系のホット ジュピターと同様に、太陽の周りを近い軌道で回っていたでしょう。 ^[5]土星も太陽に向かって移動しましたが、小さいため、タイプ I の移動または暴走移動のいずれかを起こして、より速く移動しました。^[6]土星は木星に収束し、この移動中に木星と 2:3 の平均運動共鳴に捕らえられました。その後、木星と土星の周りのガス円盤に重なり合う隙間が形成され、^[7]一緒に移動し始めたこれらの惑星の力のバランスが変化しました。土星は部分的に隙間を抜け、外側の円盤が木星に及ぼすトルクを減らしました。

すると、惑星にかかる純トルクは正になり、内側のリンドブラッド共鳴によって生成されるトルクが外側のディスクからのトルクを上回り、惑星は外側に向かって移動し始めた。^[8]外側への移動が継続できたのは、惑星間の相互作用によってガスが隙間を流れることができたためである。^[9]ガスは通過中に惑星と角運動量を交換し、トルクの正のバランスが加わり、惑星がディスクに対して外側に移動できるようにした。この交換により、外側のディスクから内側のディスクに質量が移動した。^[10]内側のディスクへのガスの移動により、内側のディスクが太陽に降着する際に外側のディスクに対する内側のディスクの質量の減少も遅くなり、そうでなければ内側のトルクが弱まり、巨大惑星の外側への移動が終了していたであろう。^{[8] [11]}グランドタック仮説では、このプロセスにより、木星が1.5 AUにあったときに惑星の内側への移動が逆転したと想定されている。^[6]木星と土星の外向きの移動は、フレアディスク内でゼロトルク構成に達するまで続きました。^{[12] [11]}またはガスディスクが消散したとき。^[11]このプロセス全体は、木星が現在の軌道に到達したときに終了したと推定されています。^[6]

この仮説は太陽系内のさまざまな現象に当てはまります。

「火星問題」とは、地球型惑星の形成に関するいくつかのシミュレーションの間での矛盾である。シミュレーションの結果、火星の実際の質量である 0.107 M E よりはるかに大きい 0.5～1.0  M _{E の惑星がその領域に存在すると予測された。これは、太陽系内部に分布する微惑星から始まった火星の実際の質量である 0.107} M _Eよりはるかに大きい。木星のグランドタックは、火星の形成に利用できる物質を制限することで火星問題を解決している。^[13]

木星の内側への移動により、この物質の分布が変化し、^[14]微惑星が内側に押し込まれ、 1.0 AU内に物質が混ざった狭くて密な帯が形成され 、 ^[15]火星領域は大部分が空のままになっています。^[16]狭い帯では、惑星の胚が急速に形成されます。これらの胚のほとんどは、6000万年から1億3000万年かけて衝突して融合し、より大きな地球型惑星（金星と地球）を形成します。 ^[17]他の胚は帯の外側に散らばり、追加の物質を奪われて成長が遅くなり、より低質量の地球型惑星である火星と水星を形成します。^[18]

木星と土星は、その移動中にほとんどの小惑星を最初の軌道から追い出し、木星の元の位置の内側と外側の両方に由来する励起された残骸を残します。木星の移動前、木星の周囲の領域には、太陽からの距離に応じて組成が異なる小惑星が含まれていました。 ^[19]内側の領域では岩石質の小惑星が優勢でしたが、氷線を越えた外側の領域では、より原始的で氷の多い小惑星が優勢でした。^[20]木星と土星が内側に移動するにつれて、内側の小惑星の約15％が土星の外側の軌道に散らばります。^[2]コースを反転した後、木星と土星は最初にこれらの物体に遭遇し、元の集団の約0.5％を内側の安定した軌道に散らします。^[6]その後、木星と土星が外側の領域に移動するにつれて、原始的な小惑星の約0.5％が外側の小惑星帯の軌道に散らばります。^[6]木星と土星との遭遇により、捕獲された小惑星の多くは大きな離心率と傾斜角を帯びる。^{[16]これらは}ニースモデルで説明されている巨大惑星の不安定性の間に減少し、離心率の分布は現在の小惑星帯の分布に似たものになる可能性がある。^[21]氷小惑星の中には、後に地球型惑星が形成された領域を横切る軌道上に残されるものもあり、氷小惑星が衝突したときに水が集積中の惑星に供給される可能性がある。^{[22] [23]}

太陽系内に近傍軌道を周回するスーパーアースが存在しないのも、木星の内側への移動の結果である可能性がある。 ^[24]木星が内側に移動するにつれて、微惑星は木星の平均運動共鳴に捕らえられ、軌道が縮小し、離心率が増加する。微惑星の相対速度が壊滅的な衝突を引き起こすほど大きくなると、衝突カスケードが発生する。その結果生じた破片は、ガス円盤からの抗力により、太陽に向かって内側にらせん状に移動する。初期の太陽系にスーパーアースが存在していた場合、これらの破片の多くを共鳴に巻き込み、破片が内側にらせん状に移動するにつれて太陽に押し込まれた可能性がある。現在の地球型惑星は、木星が進路を逆転したときに残された微惑星から形成されたと考えられる。^[25]しかし、破片がより大きな物体に合体してガスの抗力を減らすことができれば、近傍軌道を周回するスーパーアースの太陽への移動は避けられる可能性がある。また、原始惑星系円盤に内部空洞があれば、その内側への移動はその端の近くで停止する可能性がある。^[26]太陽系内部にまだ惑星が形成されていなかった場合、衝突カスケード中に大きな天体が破壊された結果、残った破片は太陽風によって外側に押し出されるほど小さくなり、太陽系初期には太陽風がはるかに強力だったため、水星の軌道の内側に惑星を形成するものはほとんど残らなかった可能性がある。^[27]

粘性加熱と惑星胚の移動を含む原始惑星系円盤モデルを使用した地球型惑星の形成シミュレーションでは、木星の移動が 2.0 AU で逆転した可能性があることが示されています。シミュレーションでは、木星からの摂動によって胚の離心率が励起されます。これらの離心率は、最近のモデルのより高密度のガス円盤によって減衰されるため、胚の長半径が縮小し、固体のピーク密度が内側にシフトします。木星の移動が 1.5 AU で逆転するシミュレーションでは、最大の地球型惑星が地球の軌道ではなく金星の軌道の近くで形成されるという結果になりました。代わりに木星の移動を 2.0 AU で逆転させたシミュレーションでは、現在の太陽系に近い結果が得られました。^[9]

衝突と衝突後の分裂を初期不安定性を考慮したシミュレーションに組み込むと、地球型惑星の軌道がより良く再現される。衝突によって生じた小天体の数が増えると、さらなる衝突と動的摩擦によって、成長する惑星の軌道の離心率と傾斜角が減少する。これにより、地球型惑星の質量の大部分が金星と地球に集中し、火星に比べて形成時間が長くなる。^[28]

巨大惑星が小惑星帯を移動すると衝突速度が急上昇し、CBコンドライトの形成につながる可能性がある。CBコンドライトは、最初の固体形成から480万年±0.3百万年後に衝突溶融物が結晶化して形成された鉄/ニッケル団塊を含む金属に富む炭素質コンドライトである。これらの金属の蒸発には18 km/s以上の衝突が必要で​​あり、これは標準的な集積モデルの最大速度12.2 km/sをはるかに超える。木星が小惑星帯を移動すると小惑星の離心率と傾斜角が増大し、金属を蒸発させるのに十分な衝突速度が0.5 Myrの期間続く。CBコンドライトの形成が木星の移動によるものである場合、太陽系形成から450万年から500万年後に発生したことになる。^[29]

タイタンの周囲に厚い大気が存在し、ガニメデとカリストの周囲にそれが存在しないのは、グランドタックに対するそれらの形成時期によるものかもしれない。ガニメデとカリストがグランドタックより前に形成された場合、木星が太陽に近づくにつれてそれらの大気は失われていただろう。しかし、タイタンが土星へのタイプIの移動を避け、タイタンの大気が生き残るためには、グランドタックより後に形成されたに違いない。^{[30] [31]}

他の惑星との遭遇は火星を周回する円盤を不安定にし、火星の周囲に形成される衛星の質量を減少させる可能性がある。火星は他の惑星との遭遇によって環状部から散らばった後も、惑星が太陽系内部から物質を一掃するまで他の物体との遭遇を続ける。これらの遭遇により火星の軌道は他の惑星から切り離され安定した軌道に留まることが可能になるが、火星の衛星を形成する物質の円盤を乱すこともできる。これらの乱れにより物質が火星の軌道から逃げ出したり、火星の表面に衝突して円盤の質量を減少させ、結果としてより小さな衛星が形成される。^[32]

火星の集積の大部分は、火星が地球や金星と異なる組成を持つ場合、グランド・タックによって形成された狭い物質の環状領域の外側で起こったに違いない。グランド・タックによって形成された環状領域で成長する惑星は、同様の組成で終わる。グランド・タックが初期に発生し、火星となった胚が比較的小さかった場合、小惑星のように外側に散らばってから内側に散らばった場合、異なる組成の火星が形成される可能性がある。これが発生する可能性はおよそ 2% である。^{[33] [34]}

その後の研究では、衰退しつつある太陽系星雲における木星と土星の収束軌道移動が 3:2 平均運動共鳴を確立する可能性は低いことが示されています。星雲の状態は、より速い暴走移動をサポートする代わりに、土星の移動を遅くし、2:1 平均運動共鳴に捕獲されることになります。^{[11] [35] [36]}木星と土星が 2:1 平均運動共鳴に捕獲されても、通常は移動の方向が逆転することはありませんが、外向きの移動を促進する可能性のある特定の星雲構成が特定されています。^[37] ただし、これらの構成は、木星と土星の軌道離心率を実際の値の 2 倍から 3 倍の値に励起する傾向があります。^{[37] [38]}また、ガスの温度と粘性によって土星がより深い隙間を生成できる場合、結果として生じる正味トルクが再び負になり、システムの内向き移動につながる可能性があります。^[11]

グランドタックシナリオは、木星と土星の両方で進行中のガスの集積を無視している。^[39] 実際、外向きの移動を促進し、惑星を現在の軌道の近くに移動させるためには、太陽系星雲が2つの惑星の軌道の周りに十分に大きなガスの貯蔵庫を持たなければならなかった。しかし、このガスは集積の源となり、木星と土星の成長と質量比に影響を与えるだろう。^[11] 3：2の平均運動共鳴に捕獲されるために必要な星雲密度のタイプは、2つの惑星の生存にとって特に危険である。なぜなら、それは大幅な質量成長とそれに続く惑星間散乱につながる可能性があるからである。しかし、2：1の平均運動共鳴システムにつながる条件も、惑星を危険にさらす可能性がある。^[40]両惑星でのガスの集積はまた、内側のディスクへの供給を減らし、太陽への集積率を低下させる傾向がある。このプロセスは木星の軌道の内側のディスクをある程度枯渇させ、木星の内側のリンドブラッド共鳴から生じるトルクを弱め、惑星の外向きの移動を終わらせる可能性があります。^[11]

火星の質量が小さいことを説明する仮説が複数提案されている。火星が小さいことは、太陽系内部全体に分布する微惑星から始まるシミュレーションの小さいがゼロではない割合で発生するため、確率の低いイベントであった可能性がある。 ^{[41] [42] [43]}火星が小さいのは、微惑星が形成される前に固体物質がさらに内側に漂流したために火星の領域が大部分空だった結果である可能性がある。^{[44] [45]}ニースモデルで説明されている巨大惑星の不安定性が早期に発生した場合、火星領域が形成される前にほとんどの質量が除去された可能性もあります。^{[46] [47]}微惑星と胚から地球型惑星への成長のほとんどが小石の集積によるものである場合、太陽からの距離が増すにつれてこのプロセスの効率が低下した結果、火星が小さい可能性がある。^{[48] [49]}ガス円盤内の惑星胚が1AUに向かって収束的に移動すると、この距離の近くでのみ地球型惑星が形成され、火星は取り残された胚のままになります。^[50]ガス円盤の除去中に広がる永年共鳴も傾斜と離心率を励起し、相対速度を増加させて衝突が集積ではなく断片化をもたらす可能性があります。^[51]これらの仮説の多くは、小惑星帯の質量が小さいことも説明できます。

小惑星の軌道離心率と軌道傾斜角、および小惑星帯の低質量を説明するために、いくつかの仮説も提案されている。小惑星帯の領域が最初はそこで形成される微惑星がほとんどなかったために空だった場合、木星と土星のガス集積中に内側に散乱した氷微惑星と、形成中の地球型惑星によって外側に散乱した石質小惑星によって占められていた可能性が^ある。^{[53] [54]}内側に散乱した氷微惑星は、地球領域に水を供給することもできる。^[55]木星と土星の共鳴軌道がニースモデルの不安定性の前に無秩序になった場合、最初は低質量の小惑星帯の軌道離心率と軌道傾斜角は、永年共鳴によって励起された可能性がある。^{[56] [57]}小惑星の離心率と傾斜角も巨大惑星の不安定性の間に励起され、数十万年続いた場合、観測されたレベルに達する可能性があります。^[58]当初は巨大な小惑星帯にある小惑星と胎児の間の重力相互作用は、小惑星の長半径を変えることによってこれらの影響を強め、多くの小惑星を不安定な軌道に追い込み、惑星との相互作用により除去され、その結果、質量の99％以上が失われます。^[59]ガスディスクの消散中に発生する永年共鳴スイープは小惑星の軌道を励起し、離心率が励起された後、ガスの抵抗により太陽に向かって螺旋状に回転する小惑星の多くを除去した可能性があります。^[60]

また、太陽に近い軌道を回るスーパーアースが存在せず、水星の質量が小さい理由についても、いくつかの仮説が提唱されている。木星の核が太陽に近い場所で形成された場合、太陽系内部を横切る核の移動によって、共鳴する物質が外側に押し出され、金星の軌道内側の領域が枯渇した可能性がある。 ^{[61] [26]}円盤風によって進化する原始惑星系円盤では、惑星の胚が外側に移動してから合体して惑星を形成し、水星の軌道内に惑星が存在しない太陽系が残された可能性がある。^{[62] [63]}ガス円盤内の惑星の胚が1 AUに向かって収束的に移動した場合も、この距離近くで大型の地球型惑星が形成され、水星は取り残された胚のままになっただろう。^[50]初期の内惑星は不安定期の壊滅的な衝突によって失われた可能性があり、その結果、破片はポインティング・ロバートソン抵抗によって失われるほど小さく粉砕された。^{[64] [65]}微惑星の形成が初期にのみ起こった場合、微惑星円盤の内縁はこの時点ではケイ酸塩凝縮線に位置していた可能性がある。^[66]水星の軌道よりも近い微惑星の形成には、恒星の磁場が円盤の回転と一致することが必要だった可能性があり、その結果、ガスが枯渇し、固体とガスの比率が流動不安定性が発生するのに十分な値に達することが可能になった。^{[67] [68]}スーパーアースの形成には、初期の太陽系で発生したよりも高い内向きの漂流小石の流量が必要だった可能性がある。^[69] 0.6 AU より近い原始惑星円盤を周回する微惑星は、向かい風によって浸食された可能性がある。^[70]初期の太陽系は物質が枯渇しており、小さな惑星が形成され、初期の不安定性で失われたり破壊されたりして水星だけが残ったり、水星だけが形成されたりした可能性がある。^{[71] [72]}

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