海王星の波乱に満ちた幼少期は、太陽系の失われた惑星を明らかにするかもしれない

現代の太陽系は静かに回転し、惑星は太陽の周りを永遠に回り続けているように見える。しかし、昔からそうだったわけではない。この静けさは、惑星同士の激しい衝突の時代、つまり巨星同士が互いに跳ね返り、少なくとも 1 つのライバルの兄弟が宇宙の舞台から完全に排除された時代の後にのみ現れたようだ。

研究者たちは、この比較的混沌とした時代がどのように展開したかの手がかりを求めて、何年もかけて太陽系をくまなく調査してきた。サウスウエスト研究所の惑星科学者、デイビッド・ネスヴォルニー氏は、はるか遠くの小さな岩石の集まりの中で、海王星と未知の惑星の争いで海王星が勝利したという、ある特定の争いを暗示する比喩的な血痕を発見した。12月下旬、まだ査読を受けていない論文誌に掲載された同氏の分析は、太陽系に現在の惑星群以外にもかつては多くの惑星が存在していたという説をさらに裏付けるものとなった。

シミュレーションを実行したときにこの遠方の天体の集団を浮かび上がらせるには、「海王星を散乱させる惑星が本当に必要」のようだと、この研究には関わっていないオクラホマ大学の惑星科学者ネイサン・カイブ氏は言う。つまり、理論上は、少なくとももう1つの惑星がはるか昔に太陽の周りを飛び回っていて、海王星を混乱させていた可能性があるということだ。

研究者が45億年以上前に起きた出来事について知る方法の一つは、カイパーベルトとして知られる現在の氷の塊を研究することだ。海王星の軌道の近くから始まり、そこから外側に広がるこれらの凍った物体は、惑星のほとんどのドラマとは無縁で、何億年もの間独自の活動を続けている。

例外は近くにある海王星で、その軌道は冥王星を含む多くのカイパーベルト天体（KBO）の軌道と同期している。この同期は海王星の微妙な重力作用によって発生し、この重力作用によってそもそもKBOの形成が阻止されていたはずである。しかし、冥王星とその仲間が存在することから、研究者たちは80年代と90年代に、海王星はおそらく太陽に10～20パーセント近くから始まり、その後（冥王星とその仲間が平和に形成された後）に外側にずれていったに違いない、と気づいた。

しかし、惑星はどのように移動したのだろうか？ 初期の考えでは、定期的に小さな物体にぶつかることで、惑星は滑らかに螺旋状に広がったと考えられていたが、いくつかの観測結果から、より劇的な再配置が示唆された。太陽系が誕生して数百万年の間に、数回の接近衝突により、惑星が楕円軌道上の新しい位置に飛ばされた可能性がある。惑星科学者たちは、この悲惨な時期を婉曲的に「不安定」と呼んでいる。

不安定期に海王星に何が起こったのかをより深く理解するため、ネスヴォルニー氏は過去10年ほどの間に発見された数十のKBOのうち、ある特定のグループに焦点を絞った。それらの軌道はカイパーベルトの外れを通過するが、本当に特別なのは、その軌道が太陽系の平らな円盤から約10度傾いていることだ。これは、何かがそれらを押し出したことを示している。「軌道が決まっている場合、それを別の方向に傾けるのは難しいのです」とネスヴォルニー氏は言う。

ネスヴォルニー氏の新しいシミュレーションによると、その何かは、完全な円ともっとひどく押しつぶされた楕円の中間の軌道で外側に滑り出した海王星である可能性が高い。他のシナリオでは、この KBO のグループが適切な場所に適切な傾斜で配置されなかった。

海王星がまさにそのように動くには、相当な衝撃が必要だっただろう。おそらく同程度の質量を持つ別の惑星との接近遭遇だろう。ネスヴォルニーの研究を含む過去の研究では、初期の太陽系には木星、土星、天王星、海王星以外にも巨大惑星が存在していたと示唆されているが、すべての軌道がしばらくおかしくなった場合、このシナリオはより可能性が高くなる。「不安定な状態になると、当初の4つの惑星を保持するよりも、惑星を失う可能性の方が大幅に高くなります」とカイブ氏は言う。

ネスヴォルニーが、天王星と海王星に加えて第3の氷巨星が存在するという仮定の太陽系シミュレーションを実行すると、すべてがうまく当てはまる。謎の巨星が海王星と衝突しそうになり、海王星の軌道が外側に移動するにつれて伸びると、KBOsの帯に特徴的な10パーセントの傾斜が生まれる。証拠は状況証拠だが、示唆に富んでいる。

「これは科学です」と彼は言う。「物事が確実にわかるわけではありませんが、私にとっては十分説得力があります。」

海王星は衝突を生き延びたので、このもう 1 つの氷の巨星は太陽系から放出され、天の川銀河の暗闇をさまよった可能性が高い。しかし、太陽の重力から完全に逃れるのに十分な衝撃を受けなかったとしたら、現在の海王星より太陽から 30 倍ほど離れた場所に止まっていたかもしれない。これは、一部の天文学者が未確認の惑星 9 があると予測している場所とまったく同じだ。カイブ氏によると、シミュレーションでは、このブーツ型惑星が太陽系に留まる時間はわずか 5 パーセント程度だが、これは決して無敵の確率ではないという。

ネスヴォルニー氏によると、若い惑星同士の衝突の可能性をより深く理解するには、太陽系の外縁部を、より詳細に地図化すればよいだけだ。この作業は、2023年に科学的な運用を開始する予定のヴェラ・C・ルビン天文台にとっての主要目標となる。

「カイパーベルトがあるので、何が起こったのかを解明するのはそれほど難しいことではないはずだ」と彼は言う。