後期重爆撃

後期重爆撃期（LHB）、または月の大変動は、約41億年から38億年前（Ga）に発生したと考えられている仮説上の天文イベントです。 ^{[1]これは地球の}新生代と始生代に相当します。仮説によると、この期間中に、水星、金星、地球（および月）、火星を含む太陽系内の地球型惑星とその衛星に、不釣り合いに多数の小惑星と彗星が 衝突しました。^[2]これらは、集積後の衝突体と惑星の不安定性によって引き起こされた衝突体の両方から発生しました。[ 3 ]この仮説は^広く 信じられていますが、^[4]決定的な証拠は依然としてつかみどころがありません。^[5]

LHB の証拠は、アポロ計画の宇宙飛行士が持ち帰った月のクレーターの岩石サンプルから得られている。同位体年代測定により、岩石が最後に溶融したのはかなり短い期間の衝突イベント中であることが示され、この期間にクレーターの大部分が形成されたことが示唆されている。いくつかの仮説が、太陽系内部の衝突体のフラックスのこの明らかな急増を説明しようと試みているが、まだコンセンサスは得られていない。惑星科学者の間で人気のあるニースモデルは、巨大惑星が軌道移動を起こし、小惑星帯、カイパーベルト、またはその両方から物体を偏心軌道に散乱させ、地球型惑星の進路に進入させたと仮定している。^[3]

他の研究者は、激しい衝突を疑っており、例えば、月の衝突溶融年代の見かけ上の集中は、単一の大きな衝突から散らばった岩石をサンプリングすることによって生成された統計的なアーティファクトであると主張しています。^[1]さまざまな証拠は、むしろ約42億年前から35億年前まで続いた、より長い期間の月への衝突があった可能性があることを示唆しています。^[6]

月の大変動の主な証拠は、アポロ計画中に収集された衝突溶融岩石の放射年代から得られます。これらの衝突溶融岩石の大部分は、直径数十キロメートルの小惑星または彗星の衝突時に形成され、直径数百キロメートルの衝突クレーターを形成したと考えられています。アポロ15、16、17の着陸地点は、それぞれインブリウム盆地、ネクタリス盆地、セレニタティス盆地に近いことから選ばれました。^[7]

これらの衝突溶融物の年代が約38億年から41億年の間に集中していることから、研究者らはこれらの年代は月への激しい衝突を記録していると仮定した。^[8]彼らはこれを「月の大変動」と名付け、約39億年前の月への衝突速度の劇的な増加を表していると主張した。これらの衝突溶融物がこれら3つの盆地から生成された場合、これら3つの主要な衝突盆地が短期間で形成されただけでなく、地層学的根拠に基づくと他の多くの盆地も短期間で形成されたことになる。^[7] 当時、この仮説は議論の余地があると考えられていた。

特に月の隕石から得られるデータが増えるにつれて、この仮説は、まだ議論の余地はあるものの、より一般的になってきています。月の隕石は月の表面をランダムにサンプリングしたと考えられており、少なくともその一部はアポロの着陸地点から遠く離れた地域から来たものであるはずです。長石質の月の隕石の多くは、おそらく月の裏側から来たもので、これらの隕石の衝突溶融物の年代が最近測定されました。大変動仮説と一致して、それらの年代はいずれも約39億年前より古いものではありませんでした。^{[9] [10]}ただし、この日付で年代が「集中」しているわけではなく、25億年から39億年の間に広がっています。^[11]

小惑星帯起源のハワード石、ユークライト、ダイオジェナイト( HED ) 隕石およびH コンドライト隕石の年代測定から、340 万年から 410 万年前までの多数の年代と、それより前の 450 万年前にピークを迎えた年代が明らかになった。340 万年から 410 万年前の年代は、衝突速度の増加を反映していると解釈されている。これは、ハイドロコード^[12]を使用したコンピューター シミュレーションにより、衝突速度が現在の小惑星帯の平均である 5 km/s から 10 km/s に増加すると、衝突溶融物の体積が 100 倍から 1,000 倍に増加することが明らかになったためである。10 km/s を超える衝突速度を実現するには、非常に高い傾斜角または惑星横断軌道上の小惑星の大きな離心率が必要である。このような天体は現在の小惑星帯ではまれであるが、巨大惑星の移動による共鳴のスイープによって、その数は大幅に増加すると考えられる。^[13]

高地クレーターのサイズ分布の研究は、後期重爆撃期に同じ種類の飛来物が水星と月に衝突したことを示唆している。^[14]水星の後期重爆撃の崩壊の歴史も月の後期重爆撃の歴史に従っているとすれば、発見された最も新しい大きな盆地であるカロリス盆地は、最も新しい月の大きな盆地であるオリエンタル盆地とインブリウム盆地と年齢が同等であり、平原ユニットはすべて30億年以上古い。^[15]

大変動仮説は最近（過去 50 年間）人気が高まっており、特にこのような現象の原因を特定した力学学者の間では人気が高まっていますが、依然として議論の的となっており、議論の余地のある仮定に基づいています。2 つの批判は、（1）衝突年代の「クラスター」は、単一の盆地の噴出物をサンプリングした結果として生じたものである可能性がある、（2）約 4.1 Ga より古い衝突溶融岩石が存在しないのは、そのようなサンプルがすべて粉砕されたか、年代がリセットされたためである、というものです。^{[3] [7]}

最初の批判は、アポロ着陸地点で採取された衝突溶融岩石の起源に関するものである。これらの衝突溶融岩石は、一般的に最も近い盆地から生じたとされているが、その大部分はむしろインブリウム盆地から生じた可能性があると主張されている。^[16]インブリウム衝突盆地は、月の中心表側で発見された多重リング盆地の中で最も新しく、最大の盆地であり、定量的モデリングでは、この衝突による大量の噴出物がアポロ着陸地点のすべてに存在するはずであることがわかっている。この代替仮説によると、39億年前付近の衝突溶融岩石の年代のクラスターは、複数の衝突イベントからではなく、単一の衝突イベントから収集された物質を反映しているにすぎない。さらに、⁴⁰ Ar/ ^{39 Ar年代測定で特定された39億年前の年代の急上昇は、衝突率の低下に伴い40} Arが部分的に失われた後に断続的に発生した初期の地殻形成によって生じた可能性もあると批判されている。^[17]

2 つ目の批判は、約 41 億年前より古い衝突溶融岩石が存在しないという点の重要性に関するものです。この観測結果について、大変動を伴わない仮説の 1 つは、古い溶融岩石は存在したが、その放射年代は過去 40 億年にわたる衝突クレーターの継続的な影響によってすべてリセットされたというものです。さらに、これらの推定サンプルはすべて非常に小さなサイズに粉砕されているため、標準的な放射測定法では年代測定が不可能である可能性もあります。^[18]科学者は、太陽系内部の歴史を明らかにするために、月の衝突史の研究を続けています。^{[7] [3]}

もし本当に月で大規模なクレーター形成が起こったとしたら、地球も影響を受けたはずだ。月のクレーター形成率^[19]を当時の地球に当てはめると、以下の数のクレーターが形成されたと推測される。^[20]

• 直径20 km (12 マイル) を超える衝突クレーターが22,000個以上、
• 直径約1,000 km（620マイル）の衝突盆地が約40個、
• 直径約5,000 km（3,100マイル）のいくつかの衝突盆地、

LHB 仮説が定式化される前、地質学者は一般的に、地球は 38 億年前まで溶融状態のままであったと想定していました。この年代は、世界中の最も古い岩石の多くで確認されており、それを超えると古い岩石は見つからないという強い「カットオフ ポイント」を表しているように思われました。これらの年代は、最も正確で環境の影響が最も少ないと考えられているジルコンのウラン鉛年代測定法を含む、さまざまな年代測定法でもほぼ一定でした。より古い岩石が見つからなかったため、地球はこの日付まで溶融状態のままであったと一般に想定されていました。この日付は、冥王代前期と始生代後期の境界を定義しました。それでも、1999 年に、地球上で最も古い岩石は40 億 3100 万年前と測定され、カナダ北西部のスレイブ クラトンのアカスタ片麻岩の一部となっています。^[21]

しかし、より古い岩石は、隕石として地球に落下した小惑星の破片の形で見つかることもある。地球上の岩石と同様に、小惑星にも約46億年前に明確な分岐点があり、これは当時まだ若かった太陽の周りの原始惑星系円盤で最初の固体が形成された時期と推定されている。つまり、冥王代とは、宇宙でこれらの初期の岩石が形成されてから、約7億年後に地球の地殻が最終的に固まるまでの期間である。この期間には、円盤からの惑星の集積と、集積の重力位置エネルギーが解放されるにつれて地球がゆっくりと冷却して固体になったことが含まれる。

その後の計算により、崩壊と冷却の速度は岩石体の大きさに依存することがわかった。この速度を地球の質量の物体に当てはめると、非常に急速な冷却が起こり、1億年しかかからないことが示唆された。^[22]当時、測定値と理論の違いは難問であった。

LHB はこの異常現象を説明する可能性がある。このモデルによれば、38 億年前の岩石は、LHB によって地殻の大部分が破壊された後にのみ固まった。北米のクラトン シールド内のアカスタ片麻岩と、西オーストラリアのナリア片麻岩地帯のジャック ヒルズ部分にある片麻岩は、地球上で最も古い大陸の破片であるが、LHB より後の年代であると思われる。地球上でこれまでに年代測定された最古の鉱物は、ジャック ヒルズの 44 億 400 万年前のジルコンで、このイベントより前のものだが、LHB より前の地殻の破片で、はるかに新しい (約 38 億年前) 岩石に含まれている可能性が高い。^[要出典]

ジャックヒルズのジルコンは冥王代についての理解を進展させた。^[23]古い文献では、冥王代には火山が隆起した溶融地表があったと一般的に示されている。「冥王代」という名前自体は、ギリシャ神話のハデスに由来し、当時の地球が「地獄のような」状態にあったとされている。ジルコンの年代測定では、異論はあるものの、冥王代の表面は固体で温暖で、酸性の海に覆われていたことが示唆されている。この図は、最古の岩石が形成される前の時期に水系化学反応が起こったことを示唆する特定の同位体比の存在に由来している（「冷涼な初期地球」を参照）。^[24]

特に興味深いのは、マンフレッド・シドロフスキーが 1979 年に、グリーンランドで見つかった堆積岩の炭素同位体比は有機物の遺物であると主張したことです。炭素 12 と炭素 13 の比率が異常に高く、通常は生命による「処理」の兆候です。岩石の正確な年代については多くの議論があり、シドロフスキーは約 38 億年前であると示唆し、他の人はより「控えめな」36 億年前であると示唆しました。いずれにしても、無生物起源​​説が起こったには非常に短い時間であり、シドロフスキーが正しければ、おそらく短すぎる時間です。後期重爆撃期とそれが示唆する地殻の「再溶融」は、これが可能であると考えられるタイムラインを提供します。つまり、生命は後期重爆撃期の直後に形成されたか、冥王代にそれより前に発生してそれを生き延びた可能性が高いです。 2002年の研究では、シドロフスキーが発見した岩石は、約385億年前の可能性のある年代の古い方の岩石であることが示唆されており、後者の可能性が最も可能性の高い答えであることが示唆されています。 ^[25] 2005年、2006年、2009年の研究では、冥王代初期に生命が存在したという当初の主張の根拠となった同位体的に軽い炭素比の証拠は見つかりませんでした。 ^{[26] [27] [28]しかし、2008年のジャックヒルズの岩石に関する同様の研究では、同じ種類の潜在的な有機指標の痕跡が示されています。}ミュンスター大学鉱物学研究所のトルステン・ガイスラーは、425億年前のジルコン内のダイヤモンドとグラファイトの小片に閉じ込められた炭素の痕跡を研究しました。^[29]

2009年5月にコロラド大学ボルダー校のチームが開発した3次元コンピュータモデルは、地球の地殻の大部分とそこに生息する微生物が衝突を生き延びた可能性があると仮定している。彼らのモデルは、地球の表面は不毛だったが、地表下の熱水噴出孔が好熱性微生物の避難所を提供することで生命を育んだ可能性があることを示唆している。^[30] 2014年4月、科学者たちはバーバートングリーンストーンベルトの近くでこれまでで最大の地球隕石衝突イベントの証拠を発見したと報告した。彼らは、衝突は約32億6千万年前に発生し、衝突体の幅は約37〜58キロメートル（23〜36マイル）であると推定した。このイベントのクレーターは、まだ存在するとしても、まだ発見されていない。^[31]

ニースモデルでは、後期重爆撃期は太陽系外縁部の動的不安定性の結果である。ゴメスらによるオリジナルのニースモデルシミュレーションは、太陽系の巨大惑星が密集した軌道配置にあり、その周囲を豊かな太陽系外縁ベルトが取り囲んでいるという状況から始まった。このベルトの天体は惑星横断軌道に迷い込み、数億年かけて惑星の軌道を移動する。木星と土星の軌道はゆっくりと離れ、2:1軌道共鳴を横切ると軌道離心率が増加する。惑星の軌道は不安定になり、天王星と海王星は外縁ベルトを乱すより広い軌道に散らばり、惑星横断軌道に入った彗星の爆撃を引き起こす。天体と惑星の相互作用も、木星と土星の軌道のより速い移動を引き起こす。この移動により、小惑星帯に共鳴が起こり、多くの小惑星の離心率が増加し、最終的に太陽系内部に入り、地球型惑星に衝突する。^{[1] [32]}

ニースモデルは、最初の発表以来、いくつかの修正が加えられている。巨大惑星は、初期のガスによる原始惑星系円盤を通じた移動により、現在では多重共鳴構成で始まる。^[33]トランスネプチューンベルトとの相互作用により、数億年後には共鳴から脱出することができる。^[34]その後の惑星間の遭遇には、氷巨星と土星の遭遇があり、氷巨星は木星を横切る軌道に乗り、続いて木星との遭遇により氷巨星は外側へ押し出される。この木星跳躍シナリオにより、木星と土星の距離が急速に離れ、共鳴スイープが小惑星と地球型惑星に与える影響が制限される。^{[35] [36]}これは、地球型惑星の低い離心率を維持し、小惑星帯に高離心率の小惑星が多すぎるのを避けるために必要なことですが、メインの小惑星帯から除去される小惑星の割合も減り、現在ではほぼ枯渇した内側の小惑星帯がLHBの衝突体の主な発生源となります。^[37]この氷の巨星は木星との遭遇後に放出されることが多く、太陽系は5つの巨大惑星から始まったという説もあります。^[38]しかし、最近の^{[いつ? ]研究では、この内側の小惑星帯からの衝突では、古代の衝突}球状層と月の盆地の形成を説明するには不十分であり、 ^[39]小惑星帯はおそらく後期重爆撃の発生源ではなかったことがわかっています。^[40]

惑星系の形成に関する微惑星シミュレーションによれば、最も外側の惑星である天王星と海王星は数十億年をかけて非常にゆっくりと形成された。 ^[41]ハロルド・レヴィソンと彼のチームも、惑星形成中の太陽系外縁部の物質密度が比較的低かったため、惑星の集積が大幅に遅くなっただろうと示唆している。^[42] そのため、これらの惑星の形成が遅いことが、LHB の別の理由として示唆されてきた。しかし、最近^{[いつ? ]}行われた太陽系外縁部の微惑星の暴走成長と組み合わせたガスの流れの計算では、木星系惑星が約 10 My という極めて急速に形成されたことが示唆されており、LHB のこの説明は支持されない。

惑星 V 仮説は、5 番目の地球型惑星が準安定軌道で内側小惑星帯に入ったときに後期重爆撃を引き起こしたと仮定している。仮説上の 5 番目の地球型惑星である惑星 V は、火星の半分以下の質量を持ち、もともと火星と小惑星帯の間を周回していた。惑星 V の軌道は、他の内惑星からの摂動によって不安定になり、内側小惑星帯と交差した。惑星 V との接近遭遇の後、多くの小惑星が地球を横切る軌道に入り、後期重爆撃を引き起こした。惑星 V は最終的に失われ、おそらく太陽に突入した。数値シミュレーションでは、このメカニズムによって LHB を生成するには、小惑星が内側小惑星帯に向かって集中する不均一な小惑星分布が必要であることが示されている。^[43]この仮説の別のバージョンでは、月の衝突物は惑星Vが火星に衝突して生じた破片であり、ボレアリス盆地を形成しているという説が提唱されており、これはクレーターに比べて月の巨大な盆地の数が少ないことと、彗星の衝突物の証拠がないことを説明するものである。^{[44] [45]}

マティヤ・チュクが提唱する仮説では、最後の数回の盆地形成衝突は、火星を横切る大きな小惑星の衝突による破壊の結果であるとしている。このベスタほどの大きさの小惑星は、当初は現在の小惑星帯よりはるかに大きかった集団の残骸であった。降水期以前の衝突のほとんどはこれらの火星横断物体によるもので、初期の衝突は 41 億年前まで続いた。その後、盆地形成衝突があまり起こらない期間が続き、その間に月の磁場は衰退した。その後、およそ 39 億年前に、壊滅的な衝突によりベスタほどの大きさの小惑星が破壊され、火星を横切る物体の集団が大幅に増加した。その後、これらの物体の多くが地球を横切る軌道へと進化し、月への衝突率が急上昇し、最後の数回の月衝突盆地が形成された。 Ćukは、最後のいくつかの盆地の残留磁気が弱いか存在しないことと、この後期の砲撃中に形成されたクレーターの大きさと頻度の分布の変化を、この仮説を支持する証拠として指摘している。^[46]クレーターの大きさと頻度の分布の変化の時期^{[47] [48] [49] [50]}と原因^[51]は議論の余地がある。

後期重爆撃期の他の可能性のある原因が数多く調査されている。その中には、独立してまたは月のトロヤ群として周回する追加の地球衛星、地球型惑星の形成時に残った微惑星、地球または金星の共軌道、および大型メインベルト小惑星の分裂などがある。独立軌道上の追加の地球衛星は、月の初期の潮汐駆動軌道膨張中に共鳴にすぐに捕らえられ、数百万年のうちに失われるか破壊されたことが示された。^[52]月のトロヤ群は、月が地球の半径の27倍に達したときに太陽共鳴によって1億年のうちに不安定化したことが判明した。^[53]地球型惑星の形成時に残った微惑星は、衝突と放出により急速に枯渇し、最後の月の盆地を形成した。^[54]原始的な地球や金星の共軌道（トロヤ群または馬蹄形軌道を持つ天体）の長期安定性と、現在の観測の欠如を合わせると、それらがLHBに寄与するほど一般的ではなかった可能性が高いことがわかります。^[55]メインベルト小惑星の衝突破壊からLHBを生成するには、最も好ましい初期条件を備えた少なくとも1,000〜1,500 kmの親天体が必要であることがわかりました。^[56]現在は失われた内惑星の衝突によって生成された破片も、LHBの原因として提案されています。^[57]

コルヴィ星イータの周囲に後期重爆撃期のような状況の証拠が見つかっている。^[58]

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