集積（天体物理学）

天体物理学において、降着とは、重力によってより多くの物質、典型的には気体物質が降着円盤に引き寄せられ、粒子が巨大な物体に集積することである。^{[1] [2]}銀河、恒星、惑星などのほとんどの天体は、降着プロセスによって形成される。

地球と他の地球型惑星が隕石から形成されたという集積モデルは、 1944年にオットー・シュミットによって提唱され、その後ウィリアム・マクリーの原始惑星理論（1960年）、そして最後にマイケル・ウルフソンの捕獲理論が続いた。^[3] 1978年、アンドリュー・プレンティスは、惑星形成に関する初期のラプラシアンの考えを復活させ、現代のラプラシアン理論を展開した。^[3]これらのモデルはどれも完全に成功したものではなく、提案された理論の多くは記述的なものでした。

1944 年にオットー・シュミットが提唱した集積モデルは、1969 年にヴィクトル・サフロノフによって定量的にさらに発展させられました。^[4]彼は、地球型惑星の形成のさまざまな段階を詳細に計算しました。^{[5] [6]それ以来、このモデルは、}微惑星の集積を研究するための集中的な数値シミュレーションを使用してさらに発展してきました。現在では、星は星間ガスの重力崩壊によって形成されると考えられています。崩壊する前、このガスは主にオリオン星雲などの分子雲の形をしています。雲が崩壊して位置エネルギーを失うと、加熱されて運動エネルギーを獲得し、角運動量保存則によって雲は平らな円盤、つまり集積円盤を形成します。

ビッグバンから数十万年後、宇宙は原子が形成できるまで冷えました。宇宙が膨張と冷却を続けると、原子は十分な運動エネルギーを失い、暗黒物質が十分に凝集して原始銀河が形成されました。さらに集積が起こると、銀河が形成されました。^[7]間接的な証拠は広くあります。^[7]銀河は合体と滑らかなガス集積によって成長します。集積は銀河内でも起こり、星を形成します。

恒星は、冷たい分子水素の巨大な雲、つまり直径およそ 300,000  M _☉、65光年(20  pc ) の巨大分子雲の中で形成されると考えられています。 ^{[8] [9]}巨大分子雲は、何百万年もかけて崩壊し、断片化します。^[10]これらの断片は、小さくて密度の高いコアを形成し、それが崩壊して恒星になります。^[9]コアの質量は太陽の数分の 1 から数倍に及び、原始星 (原始太陽) 星雲と呼ばれています。^[8]それらの直径は 2,000～20,000天文単位(0.01～0.1  pc )、粒子数密度はおよそ 10,000～100,000/cm ³ (160,000～1,600,000/cu in ) です。これを海面の空気中の粒子数密度2.8 × 10 ¹⁹ /cm ³ (4.6 × 10 ²⁰ /cu in)と比較してください。^{[9] [11]}

太陽質量の原始星雲の最初の収縮には約10万年かかります。^{[8] [9]}すべての星雲は、ある程度の角運動量から始まります。角運動量が比較的低い星雲中心部のガスは急速に圧縮され、元の星雲の質量のごく一部を含む高温の静水圧（非収縮）コアを形成します。このコアが、後に恒星となるものの種となります。^[8]収縮が続くと、角運動量保存則により、落下する外殻の回転が加速し、最終的にディスクが形成されます。

ディスクからの物質の流入が続くと、エンベロープは最終的に薄く透明になり、若い恒星物体(YSO) が最初は遠赤外線で、後に可視光線で観測可能になります。^[11]この頃、原始星は重水素の融合 を開始します。原始星が十分に重い場合 ( 80 M _J以上)、水素の融合が続きます。そうでない場合、質量が低すぎると、物体は褐色矮星になります。^[12]この新しい星の誕生は、崩壊が始まってから約 10 万年後に発生します。^{[8]この段階の物体はクラス I 原始星として知られており、若い}T タウリ星、進化した原始星、または若い恒星物体とも呼ばれます。この時までに、形成中の星はすでにその質量の多くを集積しており、ディスクと残りのエンベロープの合計質量は、中心の YSO の質量の 10～20% を超えません。^[11] 

次の段階では、エンベロープはディスクに集められて完全に消え、原始星は古典的なTタウリ型星になります。^[13]後者は降着円盤を持ち、高温のガスを降着し続け、それがスペクトルに強い輝線として現れます。前者は降着円盤を持ちません。古典的なTタウリ型星は弱線Tタウリ型星に進化します。^[14]これは約100万年後に起こります。^[8]古典的なTタウリ型星の周りのディスクの質量は恒星質量の約1〜3％で、年間10 −7〜10 −9 M ☉の速度で降着しています。[ ^{15 ]} 通常_、一対^の双極ジェットも存在します。降着は、古典的なTタウリ型星の特異な性質、すなわち輝線の強いフラックス（星の固有光度の100%まで）、磁気活動、測光変動、ジェットなどをすべて説明する。^[16]輝線は、実際には、降着したガスが星の「表面」に衝突したときに形成され、これは星の磁極の周りで起こる。^[16]ジェットは降着の副産物であり、過剰な角運動量を運び去る。古典的なTタウリ型段階は約1000万年続く^[8] （降着がさらに長期間継続し、時には4000万年以上続く、いわゆるピーターパンディスクの例はわずかしかない^{[17] ）。ディスクは最終的に、中心星への降着、惑星形成、ジェットによる放出、中心星と近くの星からの}紫外線による光蒸発により消滅する。^[18]その結果、若い星は弱線構造のTタウリ型星となり、数億年かけて、初期の質量に応じて、普通の太陽のような星へと進化します。

宇宙塵の自己集積により、粒子が岩石サイズの微惑星に成長する過程が加速される。より質量の大きい微惑星はより小さな微惑星を集積し、その他の微惑星は衝突で砕け散る。降着円盤は、より小さな恒星、近接連星系の恒星残骸、または物質に囲まれたブラックホール（銀河の中心にあるものなど）の周囲によく見られる。円盤内の動的摩擦などの力学は、周回ガスが角運動量を失って中心の巨大な天体に落下するために必要である。時折、これによって恒星表面の融合が起こることがある（ボンダイ降着を参照）。

地球型惑星や惑星核の形成には、いくつかの段階が考えられます。まず、ガスとダストの粒子が衝突すると、ファンデルワールス力や電磁力などの微物理的プロセスによって凝集し、マイクロメートルサイズの粒子が形成されます。この段階では、蓄積のメカニズムは本質的に重力に大きく依存しません。^[19]しかし、センチメートルからメートルの範囲での微惑星の形成は十分に理解されておらず、そのような粒子が単に跳ね返るのではなく蓄積する理由について説得力のある説明はありません。^{[19] : 341}特に、これらの天体がどのように成長して0.1〜1 km（0.06〜0.6マイル）サイズの微惑星になるのかはまだ明らかではありません。^{[5] [20]}この問題は「メートルサイズの障壁」として知られている。^{[21] [22]}ダスト粒子が凝集して成長すると、周囲の他の粒子に対する相対速度がますます大きくなり、また、破壊的な衝突につながる系統的な内側へのドリフト速度も獲得し、それによって凝集体の成長が最大サイズに制限される。^[23] Ward (1996) は、動きの遅い粒子が衝突すると、衝突する粒子の非常に低い（ただしゼロではない）重力がそれらの脱出を妨げると示唆している。^{[19] : 341}また、粒子の断片化は、小さな粒子を補充してディスクを厚く保つだけでなく、あらゆるサイズの固体の比較的高い存在量を維持する上で重要な役割を果たしていると考えられている。^[23]

「メートルサイズ」の壁を越えるためのメカニズムは数多く提案されている。小石が局所的に集中し、それが重力で崩壊して大きな小惑星ほどの大きさの微惑星になる可能性がある。こうした集中は、ガス円盤の構造により受動的に発生することがあり、例えば渦の間、圧力の隆起、巨大惑星によってできた隙間の端、円盤の乱流領域の境界などで発生する。^[24]あるいは、粒子がフィードバック機構を介して集中に積極的な役割を果たすこともあり、これをストリーミング不安定性という。ストリーミング不安定性では、原始惑星系円盤内の固体とガスの相互作用により局所的な集中が拡大し、小さな集中を追って新しい粒子が蓄積して巨大なフィラメントに成長する。^[24]あるいは、塵の凝集によって形成された粒子の多孔質性が高い場合、粒子の成長は、自身の重力で崩壊するほど大きくなるまで続く可能性がある。これらの物体は密度が低いため、ガスと強く結合したままであり、それによって侵食や破砕につながる可能性のある高速衝突を回避することができます。^[25]

粒子は最終的にくっついて山ほどの大きさ（またはそれ以上）の微惑星と呼ばれる天体を形成する。微惑星間の衝突と重力相互作用により、およそ10～100万年かけて月ほどの大きさの惑星胚（原始惑星）が形成される。最終的に、惑星胚は1000～1億年かけて衝突し、惑星を形成する。^[20]微惑星は十分に大きいため、相互の重力相互作用は、その進化を計算する際に考慮に入れる必要があるほどである。^[5]成長は、ガス抵抗による小天体の軌道減衰によって促進され、これにより、小天体が胚の軌道の間に取り残されるのを防ぐ。^{[26] [27]}さらなる衝突と蓄積により、地球型惑星または巨大惑星の核が形成される。

微惑星が小石の局所的な集中による重力崩壊で形成された場合、惑星胚や巨大惑星の核への成長は、小石のさらなる集積によって支配される。小石の集積は、物体が巨大な天体に向かって加速するときに感じるガス抵抗によって促進される。ガス抵抗により小石は巨大な天体の脱出速度よりも遅くなり、大天体に向かって螺旋状に進み、集積される。小石の集積は、微惑星の集積と比較して1000倍も惑星の形成を加速する可能性があり、ガス円盤が消散する前に巨大惑星が形成される可能性がある。^{[28] [29]しかし、小石の集積による核の成長は、}天王星と海王星の最終的な質量と組成とは矛盾しているように見える。^[30]直接計算によれば、典型的な原始惑星系円盤では、小石の集積による巨大惑星の形成時間は、微惑星の集積による形成時間と同程度であることが示されています。^[31]

地球型惑星の形成は、木星型惑星とも呼ばれる巨大ガス惑星の形成とは異なります。地球型惑星を構成する粒子は、太陽系内部で凝縮した金属と岩石から作られています。しかし、木星型惑星は大きな氷の微惑星として始まり、その後、太陽系星雲から水素とヘリウムのガスを捕獲しました。^{[32]これらの2つの微惑星のクラスの違いは、太陽系星雲の}霜線によって生じます。^[33]

隕石には、小惑星の起源と進化のすべての段階での集積と衝突の記録が含まれていますが、小惑星の集積と成長のメカニズムはよくわかっていません。^[34]小惑星の主な成長は、ガスによるコンドリュールの集積によって生じる可能性があることを示す証拠があります。コンドリュールは、宇宙空間で溶融（または部分的に溶融）した液滴として形成され、その後親小惑星に集積されるミリメートルサイズの球状体です。^[34]太陽系の内部では、コンドリュールは集積の開始に不可欠であったようです。^{[35]小惑星の質量が小さいのは、2} AUを超えるとコンドリュールの形成が非効率的であるか、原始星の近くからコンドリュールが効率的に運ばれないことが一因である可能性があります。^[35]また、衝突は小惑星の形成と破壊を制御し、地質学的進化の主要な要因であると考えられています。^[35]

コンドリュール、金属粒子、その他の成分は、おそらく太陽系星雲で形成された。これらが集まって親小惑星を形成した。これらの天体のいくつかはその後溶けて金属核とオリビンに富むマントルを形成し、他の天体は水によって変化した。^[35]小惑星は冷却された後、45億年にわたって衝突によって侵食され、破壊された。^[36]

集積が起こるには、衝突速度が脱出速度の約2倍未満でなければならない 。脱出速度は、半径100 km（60マイル）の小惑星の場合、約140 m/s（460  ft/s ）である。 ^[35]小惑星帯の集積に関する単純なモデルでは、通常、マイクロメートルサイズの塵の粒子がくっついて星雲の中央面に沈殿し、高密度の塵の層を形成し、重力によってキロメートルサイズの微惑星の円盤に変換されると想定されている。しかし、いくつかの議論^{[ which? ]}は、小惑星がこのように集積したわけではないことを示唆している。^[35]

彗星またはその前駆物質は、おそらく惑星形成の数百万年前に太陽系の外縁部で形成された。^[37]彗星がいつどのように形成されたかは議論されており、太陽系の形成、力学、地質学に明確な影響を与えている。3次元コンピュータシミュレーションによると、彗星核に見られる主要な構造的特徴は、弱い微彗星の低速集積によって説明できることが示されている。^{[38] [ 39]現在支持されている形成メカニズムは}星雲仮説によるもので、彗星はおそらく惑星が成長した元の微惑星の「構成要素」の残骸であるとしている。^{[40] [41] [42]}

天文学者たちは、彗星はオールトの雲と散乱円盤の両方から発生すると考えている。^[43]散乱円盤は、当時は太陽にかなり近かった海王星が原カイパーベルトへと外側へ移動したときに形成され、その跡には、その軌道の影響を受けることのない動的に安定した天体群（カイパーベルト本体）と、近日点が十分に近いため海王星が太陽の周りを回っても干渉できる天体群（散乱円盤）が残された。散乱円盤は動的に活動的で、カイパーベルトは比較的動的に安定しているため、散乱円盤は現在、周期彗星の起源として最も可能性の高い場所と考えられている。^[43]古典的なオールトの雲理論によれば、半径約50,000AU（0.24パーセク）の球体であるオールトの雲は、太陽系星雲と同時に形成され、巨大惑星や恒星が近くを通過して重力の混乱を引き起こすと、時折、太陽系内に彗星を放出すると言われています。^{[44]このような彗星雲の例は}、らせん星雲ですでに見られていた可能性があります。^[45]

2015年に行われたロゼッタによるチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星探査ミッションでは、太陽の熱が表面に浸透すると、地中の氷の蒸発（昇華）が引き起こされることがわかった。生じた水蒸気の一部は核から逃げるかもしれないが、80%は表面下の層で再凝縮する。^[46]この観察結果は、表面近くに露出している薄い氷に富んだ層は彗星の活動と進化の結果である可能性があり、地球全体の層状化は必ずしも彗星の形成史の初期に起こるわけではないことを示唆している。^{[46] [47]}ほとんどの科学者は、すべての証拠から彗星の核の構造は前世代のより小さな氷微惑星が加工された瓦礫の山であることが示されていると考えていたが、 ^[48]ロゼッタのミッションは、彗星が異なる物質の「瓦礫の山」であるという考えを裏付けた。^{[49] [50]}彗星は直径約100kmの天体として形成され、その後圧倒的に粉砕/再接触して現在の状態になったと考えられています。^[51]

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