太陽系の形成と進化に関する仮説の歴史

角運動量の問題を解決しようとする試みにより、星雲仮説は一時的に放棄され、「二体」仮説に戻ることになった。^{[ 8 ]}数十年にわたり、多くの天文学者は、1917年にジェームズ・ジーンズが提唱した潮汐仮説またはニアミス衝突仮説を好んだ。この仮説では、他の恒星が太陽に接近することで最終的に太陽系が形成されたとされる。このニアミスによって、太陽と他の恒星から相互の潮汐力によって大量の物質が引き出され、それが凝縮して惑星になった可能性がある。^{[ 8 ]} 1929年、天文学者のハロルド・ジェフリーズは、そのようなニアミス衝突は極めて起こりそうもないと反論した。^{[ 8 ]}アメリカの天文学者ヘンリー・ノリス・ラッセルも、外惑星の角運動量に問題があり、惑星が太陽に再吸収されるのを避けようと奮闘していることを示すことで、この仮説に反対した。^{[ 10 ]}

1900年、フォレスト・モールトンは、角運動量のために星雲仮説が観測結果と矛盾することを示した。モールトンとチャンバーリンは1904年に微惑星仮説を提唱した。^{[ 11 ]}当時の多くの天文学者と同様に、彼らはリック天文台からの「渦巻星雲」の写真が惑星系の形成の直接的な証拠であると信じるようになったが、後にそれは銀河であることが判明した。

モールトンとチェンバリンは、ある恒星が誕生初期に太陽に接近し、潮汐膨張を引き起こし、これが太陽プロミネンスにつながる内部プロセスと相まって、両方の恒星から物質のフィラメントが放出されたと提唱した。物質の大部分は落下したが、一部は軌道上に残った。フィラメントは冷えて多数の小さな固体微惑星と少数のより大きな原始惑星になった。このモデルは約30年間好意的に支持されたが、1930年代後半には支持を失い、木星の角運動量と矛盾することが認識されたため1940年代には破棄された。仮説の一部である微惑星の集積は保持された。^{[ 4 ]}

1937年と1940年に、レイモンド・リトルトンは、太陽の伴星が通過する星と衝突したと仮定した。^{[ 4 ]}このようなシナリオは、1935年にヘンリー・ラッセルによって既に提案され、否定されていたが、恒星の衝突が頻繁に起こる散開星団で太陽が誕生したと仮定すれば、より可能性が高いかもしれない。リトルトンは、地球型惑星は単独で凝縮するには小さすぎることを示し、非常に大きな原始惑星が回転不安定性のために2つに分裂し、木星と土星が形成され、他の惑星は接続されたフィラメントから形成されたと示唆した。1940年と1941年の後のモデルでは、連星と太陽からなる三重星系が想定され、連星が合体し、後に回転不安定性のために分裂して系から脱出し、その間に形成されたフィラメントが太陽に捕らえられたとされた。ライマン・スピッツァーの反論はこのモデルにも当てはまる。

1954年、1975年、1978年に^{[ 12 ]}スウェーデンの天体物理学者ハンネス・アルヴェーンは粒子運動の方程式に電磁効果を取り入れ、角運動量分布と組成の違いを説明しました。1954年に彼は初めてバンド構造を提案し、その中で、主にヘリウムと少量の固体粒子不純物（「流星雨」）を含むA雲、主に炭素を含むB雲、主に水素を含むC雲、主にケイ素と鉄からなるD雲を区別しました。 A雲の不純物が火星と月（後に地球に捕獲された）を形成し、B雲の不純物が収縮して外惑星を形成し、C雲が凝縮して水星、金星、地球、小惑星帯、木星の衛星、土星の環を形成し、一方、冥王星、トリトン、土星の外側衛星、天王星の衛星、カイパーベルト、オールトの雲はD雲から形成された。

1943年、ソ連の天文学者オットー・シュミットは、現在の太陽は濃密な星間雲を通過し、塵とガスの雲に包まれて出現し、そこから最終的に惑星が形成されたと提唱した。これは、太陽の自転が遅いのは太陽特有のものであり、惑星は太陽と同時に形成されたのではないと仮定することで、角運動量の問題を解決した。^{[ 8 ]}このモデルを拡張したもので、ロシア学派を形成しているものには、1950年のグレヴィッチとレベディンスキー、1967年と1969年のサフロノフ、1981年のラスコル、1985年のサフロノフとヴィチャゼフ、1994年のサフロノフとラスコルなどがある。^{[ 4 ]}しかし、この仮説はヴィクトル・サフロノフによって大きく揺るがされた。彼は、そのような拡散した外層から惑星を形成するのに必要な時間は、太陽系の決定された年齢をはるかに超えることを示した。^{[ 8 ]}

レイ・リトルトンは、第三の天体は必要ないことを示し、1944年にボンディとホイルが説明したような線状降着のメカニズムによって星が雲の物質を捕獲できると提案することで、仮説を修正した（ウィリアムズとクレミン、1968年、前掲書）。

ホイルの1944年のモデル^{[ 4 ]}では、太陽の伴星が新星爆発を起こし、放出された物質が太陽に捕らえられ、この物質から惑星が形成された。1年後のバージョンでは、それは超新星爆発だった。1955年、彼はラプラスと同様のシステムを提案し、1960年にはより数学的に詳細なアイデアを再び提案した。ホイルのモデルは、円盤と太陽の間に磁気トルクが発生し、それがすぐに効力を発揮するという点でラプラスのモデルと異なっている。そうでなければ、ますます多くの物質が放出され、既存の惑星系よりも大きく、太陽に匹敵する巨大な惑星系が形成されただろう。トルクは磁気結合を引き起こし、太陽から円盤へ角運動量を伝達する働きをした。磁場強度は1ガウスでなければならなかった。トルクの存在は、磁力線が円盤に凍結されていることに依存しており、これは凍結された磁力線に関するよく知られた磁気流体力学（MHD）定理の結果である。円盤が放出されたときの太陽凝縮温度は1,000 K (730 °C; 1,340 °F)を大きく超えることはなかったため、多数の難燃物質は固体で、おそらく微細な煙粒子として存在し、凝縮と集積によって成長したと考えられます。これらの粒子は、地球軌道での直径が 1 メートル未満であった場合にのみ円盤とともに掃き出されたため、円盤が外側に移動すると、難燃物質のみからなる副円盤が後方に残り、そこで地球型惑星が形成されました。このモデルは惑星の質量と組成に一致し、角運動量分布が磁気結合を提供しました。しかし、双晶、火星と水星の低質量、小惑星帯は説明できません。アルヴェーンは、凍結磁力線の概念を定式化しました。   

1944年、ジェラール・カイパー^{[ 4 ]}は、テル・ハールと同様に、規則的な渦は不可能であると主張し、太陽星雲で大きな重力不安定性が発生し、凝縮部が形成される可能性があると仮定した。この場合、太陽星雲は太陽と共生するか、太陽に捕獲されるかのいずれかである。密度分布によって、惑星系または恒星伴星のどちらが形成されるかが決まる。2種類の惑星はロッシュ限界から生じたと考えられた。カイパーは、太陽の自転速度が遅いことをより大きなG星の問題と捉え、その説明は提供しなかった。

フレッド・ウィップルの1948年のシナリオ^{[ 4 ]}では、直径約60,000 AU、質量1太陽質量( M☉ )の煙雲が収縮して太陽が生成された。この煙雲は角運動量が無視できるほど小さかったため、太陽と似た性質を持つようになった。この煙雲は_、角運動量の大きいより小さな煙雲を捕らえた。この大きな煙とガスの星雲の崩壊時間は約1億年で、最初は崩壊速度が遅く、後の段階で加速した。小さな雲から凝縮した惑星は、2番目の雲の中で発達するか、または捕らえられた。抵抗媒体の影響により降着によって離心率が減少するため、軌道はほぼ円形になり、小さな雲の大きさと運動の共通の方向のため、軌道の向きは似たものになる。原始惑星は非常に高温になり、揮発性の高い化合物が失われ、軌道速度は距離が遠くなるにつれて低下したため、地球型惑星はより大きな影響を受けた可能性がある。しかし、このシナリオは、最終的な規則性のほとんどすべてが事前の仮定として導入されており、定量的な計算が仮説の大部分を裏付けていないという点で弱かった。これらの理由から、このシナリオは広く受け入れられることはなかった。

宇宙化学の創始者であるアメリカの化学者ハロルド・ユーリーは、1951年、1952年、1956年、1966年に、主に隕石に基づいてシナリオ^{[ 4 ]}を提唱した。彼のモデルでは、チャンドラセカールの安定性方程式も使用し、原始太陽を取り巻くガスと塵の円盤内の密度分布を求めた。水銀のような揮発性元素が地球型惑星に保持される可能性があることを説明するために、彼は惑星を太陽から遮る適度に厚いガスと塵のハローを仮定した。ダイヤモンドを形成するには、円盤内で純粋な炭素結晶、月サイズの天体、重力的に不安定になったガス球が形成され、ガスと塵は後の段階で消散するはずだった。ガスが失われるにつれて圧力が低下し、ダイヤモンドがグラファイトに変化する一方で、ガスは太陽によって照らされるようになった。このような条件下では、かなりの電離状態が生じ、ガスは磁場によって加速されるため、太陽から角運動量が伝達される可能性がある。ユーリーは、これらの月サイズの天体は衝突によって破壊され、ガスが散逸し、中心部に固体が集積し、結果として生じた小さな破片は宇宙空間に遠くまで押し出され、大きな破片は残って惑星へと集積すると仮説を立てた。彼は、月はそのような生き残った中心部の一つであると示唆した。

1960年、1963年、1978年に^{[ 13 ]} WHマクレアは原始惑星仮説を提唱した。この仮説では、太陽と惑星はそれぞれ同じ雲の中の物質から合体し、より小さな惑星は後に太陽のより大きな重力に捕らえられたとしている。^{[ 8 ]}この仮説は原始惑星星雲での分裂を含み、太陽星雲は除外している。星が誕生する星間物質で発生すると想定される超音速乱流を構成すると考えられる凝集体の集合体が太陽と原始惑星を形成し、後者が分裂して惑星を形成した。2つの部分は少なくとも8対1の質量比で互いに重力的に束縛されたままではいられず、内惑星の場合は独立した軌道に入り、外惑星の場合は一方の部分が太陽系を離れた。内惑星は金星-水星と地球-火星であった。より大きな惑星の衛星は、分裂した原始惑星の2つの部分をつなぐ首の部分にある「液滴」から形成されました。これらの液滴は、いくつかの小惑星を説明できる可能性があります。地球型惑星には大きな衛星はなく、これは月を説明できません。この仮説はまた、火星と地球の類似した角速度、類似した自転周期、類似した自転軸の傾きなどの特定の観測結果を予測します。このスキームでは、6つの主要な惑星があります。2つの地球型惑星、金星と地球。2つの主要な惑星、木星と土星。2つの外惑星、天王星と海王星、そして3つの小さな惑星、水星、火星、冥王星です。

この仮説にはいくつかの問題点がある。例えば、惑星がすべて比較的低い離心率で同じ方向に太陽の周りを公転しているという事実を説明できない。惑星がそれぞれ個別に捕獲されたとしたら、これは非常にありそうもないことである。^{[ 8 ]}

アメリカの天文学者アラステア・GW・キャメロンが1962年と1963年に提唱した仮説^{[ 4 ]}では、原始太陽は質量が太陽の約1～2倍、直径が約10万AUで、重力的に不安定で崩壊し、より小さなサブユニットに分裂した。磁場は約1/10万ガウスであった。崩壊中、磁力線はねじれた。崩壊は速く、水素分子の解離、それに続く水素の電離、そしてヘリウムの二重電離によって起こった。角運動量によって回転不安定性が生じ、ラプラシアン円盤が形成された。この段階で、放射によって余分なエネルギーが除去され、円盤は約100万年という比較的短い期間で冷却され、ウィップルが彗星と呼ぶものへの凝縮が起こった。これらの彗星が集まって巨大惑星が形成され、その形成過程で円盤が形成され、それが月系へと進化していった。地球型惑星、彗星、小惑星の形成には、崩壊、加熱、融解、凝固といった過程が伴った。キャメロンはまた、月の起源に関する巨大衝突説も提唱した。

1964年にマイケル・マーク・ウルフソンによって提唱された捕獲仮説は、太陽系が太陽と低密度の原始星との潮汐相互作用によって形成されたと仮定している。太陽の重力が原始星の拡散した大気から物質を引き寄せ、それが収縮して惑星が形成されたと考えられる。^{[ 14 ]}

捕獲された惑星は当初、偏心軌道を持つため、ドーマンドとウルフソン^{[ 15 ] [ 16 ]}は衝突の可能性を提唱した。彼らは、通過する原始星によってフィラメントが放出され、太陽に捕獲されて惑星が形成されたと仮説を立てた。この考えでは、フィラメント内の6つの点質量に対応する6つの原始惑星があり、最も内側の2つの惑星AとBが衝突した。地球質量の200倍のAは太陽系から放出され、地球質量の25倍と推定されるBは地球と金星に分裂した。水星もBの破片である。火星と月はAの脱出した衛星である。冥王星は衝突の破片^{[ 15 ]}か、 Aのもう一つの衛星であるトリトンによって太陽中心軌道に送られた海王星の元衛星のいずれかである。冥王星の潮汐破壊によってカロンを形成した、かつての衛星群。この衝突によって小惑星帯とオールトの雲も形成された。^{[ 17 ]}

ジーンズは1931年に、さまざまなモデルを2つのグループに分類した。惑星形成の物質が太陽から来たものと、そうではなく、同時または連続的に起こった可能性があるものとである。^{[ 4 ]}

1963年、ウィリアム・マクレアはそれらをさらに2つのグループに分けました。1つは惑星の形成を太陽の形成と関連付けるもの、もう1つは太陽の形成とは独立しており、太陽が通常の恒星になった後に惑星が形成されるというものです。^{[ 4 ]}

テル・ハールとキャメロン^{[ 18 ]}は、太陽自体ではなく原始太陽から始まる、太陽と恐らく太陽外層の発達である閉鎖系を考察する仮説と、太陽と惑星系への発達の最初のステップであったとされる何らかの異物との相互作用がある開放系を考察する仮説とを区別し、ベロはこれらの仮説を二元論的と呼んでいると述べている。

エルヴェ・リーヴスの分類^{[ 19 ]}では、太陽と共生関係にあるか否かという分類に加え、変質した恒星物質や星間物質から形成されたか、変質していない恒星物質や星間物質から形成されたかという点も考慮した。彼はまた、4つのグループを認識した。1700年代にスウェーデンボルグ、カント、ラプラスによって提唱された太陽星雲に基づくモデル。1978年にアルヴェーンとグスタフ・アレニウスが主要な提唱者となった、星間空間から捕獲された雲を提唱する仮説。1940年代にリトルトンが主要な仮説を提唱した、姉妹星が何らかの形で崩壊し、その散逸した物質の一部が太陽に捕獲されたとする連星仮説。そして、ジーンズ、ジェフリーズ、ウルフソン、ドーマンドによる接近フィラメントの考え方である。

イワン・P・ウィリアムズとアラン・ウィリアム・クレミン^{[ 4 ]}は、モデルを2つのカテゴリーに分類している。1つは、惑星の起源と形成が本質的に太陽に関連しており、2つの形成プロセスが同時または連続して起こると考えるモデル、もう1つは、惑星の形成が太陽の形成プロセスとは独立しており、太陽が通常の恒星になった後に惑星が形成されると考えるモデルである。後者のカテゴリーには2つのサブカテゴリーがある。惑星形成のための物質が太陽または別の恒星から抽出されるモデルと、物質が星間空間から得られるモデルである。彼らは、最良のモデルはホイルの磁気結合とマクレアの凝集体であると結論付けている。

ウルフソン^{[ 20 ]}は、ラプラス、デカルト、カント、ヴァイツゼッカーを含む一元論的モデルと、ビュフォン、チェンバリン＝モールトン、ジーンズ、ジェフリーズ、シュミット＝リトルトンを含む二元論的モデルを認識した。

巨大衝突モデルは、将来の発見を説明するために拡張できるため、説明が過剰であり、反証不可能であるという批判を受けている。また、衝突体の物質の多くが月に到達したはずであり、同位体レベルが異なるはずだと主張する人も多いが、実際はそうではない。さらに、水などの揮発性化合物は月の地殻には存在しないが、マンガンなどの他の多くの化合物は存在する。^{[ 3 ]}