巨大衝突は若い岩石惑星の大気を奪い去ると長年考えられてきたが、新しい研究がこの通説を覆している。ダリウス・モディロウスタ・ガリアンとジュン・コレナガの研究によると、むしろ巨大衝突は岩石惑星が原始大気を保持するのを助けていた可能性がある。この成果は「Retention of primordial atmospheres through giant impacts」と題された論文として Nature Astronomy に掲載されている。
衝突の熱と質量がもたらす相反する効果
地球を含む岩石惑星は、約45億年前の太陽系形成期に無数の微惑星が衝突・合体することで成長した。形成の後期段階では、より大質量の微惑星が衝突するようになり、莫大なエネルギーが放出された。従来の説では、この衝突熱は原始的なヘリウム・水素からなる大気（He/H大気）を宇宙空間へ駆動させるほど強力だと考えられていた。
しかし、モディロウスタ・ガリアンとコレナガの研究は、巨大衝突の影響がより複雑であることを示している。衝突時に生じる熱は二つの部分に分かれる。一部は惑星の深部へ送られ、大気散失に寄与しない。もう一部はマントル温度を上昇させる熱として働く。その一方で、衝突により増加した惑星の質量は全量が重力結合エネルギーを増加させ、大気を保持する力を強める。
研究者らは「付加された質量全体が重力結合エネルギーの増加に寄与する一方で、衝突エネルギーの一部のみがマントル温度を上昇させる」と説明している。マントル融解には潜熱が消費され、衝突体の金属核は深部で過熱された状態で留まり、マントルへのエネルギー転移は限定的である。結果として、巨大衝突は大気散失を促進する熱的効果よりも、大気保持を促進する重力的効果の方が上回るという。
スーパーアースと副海王星の大気進化を説明する鍵
コレナガは Yale Faculty of Arts and Sciences の地球惑星科学教授であり、「巨大衝突は岩石惑星の成長における重要な要素だ。地球以上の大きさの惑星は、より小さな惑星体同士の衝突を通じて形成されると予想される。これらの衝突が質量増加と膨大な熱放出をもたらすとき、その大気への影響は、これら二つの変化がどのように相互作用するかに左右される」と述べている。
モディロウスタ・ガリアンは Yale の元ポストドクターで、現在は Shanghai Jiao Tong University に所属している。両者は、惑星内部と大気がいかに一体となって進化するかについて複数の論文を発表してきた。
この研究成果は系外惑星集団の理解へも応用される可能性がある。太陽系は一度、惑星系形成のモデルケースと見なされていた。内側に岩石惑星、その外に木星型巨大ガス惑星、さらに外側に天王星型氷惑星が配置されるという構図である。しかし系外惑星の発見により、この単純な図式は揺らいだ。観測される系外惑星の最も一般的なタイプは、太陽系には存在しないスーパーアース（Super-Earth）と副海王星（Sub-Neptune）である。これら二つのタイプは、岩石質コアから始まりながらも全く異なる大気進化をたどったと考えられている。スーパーアースは大気を失い、副海王星はより多くの大気を保持してきたとみられる。モディロウスタ・ガリアンとコレナガの研究は、こうした大気進化の多様性を説明する一つの道を示している。
出典: Universe Today
