グランドタックモデルにおける木星の形成段階における地球惑星領域への初期の水の供給

グランドタックモデルにおける木星の形成段階における地球惑星領域への初期の水の供給
概要
ガス巨人の形成とその後の移動は、材料の混合に大きな影響を与える可能性があります
太陽系で。 この研究では、N体シミュレーションを使用して、水の量を調べます。
成長と移動の段階で地球型惑星形成の領域に運ばれる
グランドタックモデルでの木星。 木星の成長には重要な要素が伴うことがわかりました
大量輸送、およびそのかなりの量の水 (地球の海洋質量の約 10 倍)
最小質量太陽星雲に基づく初期の微惑星分布）は、
地球惑星地域。 木星の移行フェーズ中に、配信される合計金額がさらに増加しました
(合計で地球の海洋質量の約 10 ～ 40 倍)、シミュレーション パラメーターへの依存度は低くなります。
さらに、これらの段階では、地球型惑星は完全には成長していませんでした。 したがって、その間に供給される水
これらの初期段階は、原始惑星のコア形成中に金属鉄と相互作用する可能性があり、および/または
成長する地球。 水分子中の水素はそのコアに溶解することができるので、これは
現在の地球コアで観測された密度不足。 特に、木星は次のような重要な役割を果たす可能性があります。
非炭素（NC）間の同位体組成の二分法を説明する際の「障壁」
そして炭素質（CC）隕石。 この研究の結果は、木星の成長にはある程度の成長が必要であることを示しています
NC材とCC材の混合。
キーワード: 惑星形成(1241) — 惑星力学(2173) — 太陽系(1528)
1.はじめに
物質の混合は、太陽系の形成中に発生したと考えられており、物質はある場所から別の場所に移動します。 たとえば、地球を形成した物質はほとんどが非炭素質 (NC) であると考えられています (e.g., Dauphas 2017)。
しかし、で形成されたいくらかの量の炭素質 (CC) 物質 地球から遠く離れた場所に降着した可能性があります
地球 (Schiller et al. 2018)。 地球の海は炭素質コンドライト (例えば、マーティ2012)。
太陽系の形成中および形成後の物質混合を解明する研究が行われてきました (e.g., Morbidelli et al. 2000; O'Brien et al. 2014)。
また、スターダスト、ドーン、はやぶさ2などの太陽系探査機が情報を提供しています。
太陽系形成時の物質分布 (Nakamura et al. 2008; de Sanctis et al. 2015; Yadaら。 2021年）。 したがって、観測を解読するには
そして、そのような探査によって得られたサンプル分析データ、太陽系形成中の物質混合に関する洞察が非常に必要とされています。
太陽系での物質混合は、理論研究の視点。 大きさが 1 ～ 1000 km の微惑星は、ガスのためにあまり移動しませんが、
ドラッグ (Adachi et al. 1976) により、巨大ガス惑星は微惑星軌道に大きな影響を与える可能性があります。 巨大惑星、いつ
それらはエンベロープ降着によって成長し、周囲の微惑星軌道 (レイモンド & イジドロ2017; カーター & スチュワート 2020)。
さらに、巨大な惑星がタイプを受けると、微惑星軌道が影響を受けます。
ガスディスクとの相互作用によるIIの移動(Tanaka & Ida 1999; Fogg & Nelson 2005; Raymondら。 2006; ウォルシュ等。 2011; カーター等。 2015)。
などの巨大惑星の成長と移動 木星、太陽系の形成モデルに依存(例: Raymond & Morbidelli 2022)。 モデルの1人は、
グランド タック モデル (Walsh et al. 2011) では、木星と土星が内側に移動すると仮定しています。
ディスクと惑星の相互作用を確認してから、方向を次のように変更します
木星の軌道が長半径約 1.5 天文単位の軌道に近づいた後、外側に移動します。 しかし、
Grand Tack モデルにはいくつかの潜在的な問題があります1
、 それ
などの太陽系のいくつかの機能の起源を説明するため、有望なモデルのままです。
小惑星帯の特徴 (例えば、大量の枯渇、高離心率、ゾーニング）と小さな火星。
巨大惑星の成長と移動が微惑星軌道に及ぼす影響は、いくつかの研究で研究されてきた。
近年の視点。 レイモンドとイジドロ (2017)間の微惑星散乱の影響を調査しました
主に木星への影響に焦点を当てた木星の成長
小惑星帯。 彼らは、軌道半径が 5.4 天文単位以上で成長する巨大惑星のみを考慮し、
木星の外向き移動中の微惑星の配達を調査します。 ウォルシュ等。 (2011) は、巨大惑星の内向きおよび外向きの移動中の微惑星輸送を調べましたが、巨大惑星の成長段階中の微惑星による水の輸送は考慮していませんでした。 オブライエンらに注意してください。 (2014) 出演
近日点距離が 2 天文単位以下の微惑星の長期 (150 Myr) N 体シミュレーションファイナルを使用した原始惑星系ディスクの散逸
Walsh らのシミュレーションの様子。 （2011）。 彼ら
これらの微惑星の降着過程を調べた
地球型惑星へ。 カーター等。 (2015) を研究した
木星の移動中の微惑星の成長
グランドタックモデルに従って、木星の内軌道のみにある微惑星
初期状態。 Carter & Stewart (2020) は、グランドタックにおける木星の成長と移動
微惑星間の衝突のモデル化と調査
小惑星帯への微惑星の配達。
木星の成長と移動によって水が運ばれた範囲の調査
グランド・タック・モデルが欠落しており、
それに伴う重要な意味。 この研究では、
グランドタックモデルに従って木星の成長と移動の段階をたどり、N体シミュレーションを実行して、水やその他の物質の量を調べます
これらの段階で地球の軌道に運ばれます。
また、一部のシミュレーションでは計算されますが、
10 Myr まで、長期 (~ 100 Myr) には従わない
O'Brien et al。 (2014). 本論文は以下の構成である. セクション 2 では、
N 体シミュレーションのモデルについて説明します。 セクション 3 では、シミュレーション結果を示します。 私たちは分けます
成長と移行の 2 つのフェーズへのシミュレーション
フェーズ - 各フェーズでの材料の混合を調べます。
セクション 4 では、以下から推測されるいくつかの重要な点について説明します。
私たちの結果。 まず、地球の核への水輸送
が議論されています。 密度の考えられる説明の 1 つ
地球のコアの不足 (Birch 1952) は水です。
地球形成期に運ばれた。 それ
コアへの水の輸送が
従来の水供給メカニズム - 最後の巨大衝突後の後期降着。 この研究の結果
早期の給水が水を輸送できることを示唆する
地球の核まで。 第二に、NC-CC 二分法は
議論した。 隕石の同位体測定は、
太陽系が空間的に2つに分かれていたこと
約数百万の微惑星形成領域
年 (Myr) (Warren 2011)。 この隔離は、木星が NC と CC 物質の混合を防ぐ「バリア」として機能することに起因する可能性があります (Kruijer et al. 2017)。 私たちの
結果は、木星の成長がNCとCCを混ぜ合わせていることを示しています
素材はある程度。 さらに、これは
研究は主に木星の影響に焦点を当てています
材料の混合、シミュレーション結果について説明します。
木星の近くで成長している土星。 最後に、私たちも議論します
以前の研究との関係と、この研究がどのように行われたか
これまでの理解を変えることができます。 セクション 5 では、
調査結果を要約します。

図 1. 成長段階におけるシステムのスナップショット。
木星は 1 Myr のタイムスケールで 3.5 天文単位で成長し、サイズは
微惑星の距離は 50 km と仮定されます。 色は、木星以外の天体の水の質量分率を表しています。
初期の微惑星の含水量は、
セクション2.特に、木星が成長するにつれて、周囲の微惑星が散らばり、物質に寄与します
混合。


図 2. 地域に届けられる水の量
各シミュレーションでの木星の成長段階での < 2 au。 微惑星の初期の水の質量分率
は、セクション 2 で説明した値です。各設定で 3 回実行しました。 四角は、より高い場合の結果を表します
解像度シミュレーション。


図 3. 図 1 と同じですが、パラメーターが異なります。 (a) 微惑星の大きさは 5 km で、離心率の減衰
は強い。 (b) 微惑星の大きさは 500 km で、離心率の減衰は弱い。 (c) 木星は急速に成長しています。
約0.1 Myrのタイムスケールでのエンベロープ降着。 微惑星の大きさは 50 km です。


図 4. 移行フェーズ中のシステムのスナップショット。 木星はグランドに従って内側と外側に移動します
タックモデル。 (a) サイズが 50 km の微惑星の基準設定。 (b) 微惑星の大きさは 5 km です。


5。結論
グランドタックモデルに従って、地球惑星領域への物質送達を調査しました。
N体を用いた木星の成長と移動の段階
シミュレーション。 シミュレーション結果は、周囲の微惑星が散らばっており、かなりの量の惑星が散らばっていたことを示しています。
木星の成長中に地球型惑星領域に輸送された微惑星の量。 さらに、追加の物質輸送が観察されました
木星の移行段階で発生する可能性があります。 最後に
移行および成長段階の、約 10 ～ 40 MEO
の水が地球惑星の軌道に運ばれますが、これは以前は計算されていませんでした。 しかし、
微惑星送達の物理的プロセスは、
ガス抗力の強さと木星の成長率、
私たちは、
移行フェーズの終わりは、これらへの依存度が低くなりました
パラメーター。
この研究の結果は、
地球化学。 多くの場合、地球の海は
地球形成後の後期降着によって形成されました。 水の輸送も密度を説明するかもしれません
地球のコアの赤字。 ただし、コアへの水の輸送が発生するためには、次のことが必要になる場合があります。
水は地球の形成段階で輸送されたと考えられています。 私たちの結果は、大量の
原初の地球に運ばれる水の量
その成長段階の間。 これは起源を説明することができます
地球の海の。 隕石に見られる NC-CC 二分法にも重要な意味があります。
以前の研究では、CC 物質の流入に対する障壁としての木星の役割に焦点が当てられていました。 私たちの結果は
木星の成長がいくつかのNCを混合する原因であること
および CC 材料。
NC および CC グループ内の同位体組成。
のシミュレーションでは、いくつかの仮定が使用されました。
この研究。 巨大な惑星コアはそうではないと仮定します
成長中に移行します。 軌道の速度と方向
移行は複雑な一連の条件に依存します (例:
マクナリー等。 2019）。 別の研究では、コアが移動したときに結果が変化するかどうかを調査します。
なお、本調査は までの地域に限定している。
a = 6 au。 の成果をさらに有効に活用するために
リュウグウに代表される惑星探査では、より広い計算領域でのシミュレーションが必要です。
このようなシミュレーションも今後の課題です。
有益なコメントをくださった 2 名の匿名の査読者に感謝します。 数値計算は部分的に実行されました
国立天文台の計算天体物理学センターの PC クラスターで
日本。 この作品は文部科学省科研費の支援を受けました
助成金番号 JP17H06454、JP17H06456、JP17H06457、
JP18K13608およびJP19H05087。