天王星は激しく叩かれて横に回転したのでしょうか？

他の巨大惑星と同様に、天王星には一連の環と十数個の衛星があり、それ自体が小さな太陽系のように見える。しかし、その巨大な隣の惑星（そして実際のところ他の惑星）とは異なり、氷の巨大惑星系は横向きで、自転ではなく回転している。現在、惑星の初期の新たなシミュレーションにより、この奇妙な向きを説明するために開発された理論が補強され、惑星の衛星も生成される可能性があることが示された。

「このモデルは天王星の衛星システムの構成を説明する初めてのものだ」と東京工業大学の惑星科学者、井田茂氏はプレスリリースで述べた。

この奇妙な惑星には、その風変わりな性質に見合うだけの珍しい起源の物語が必要です。地球、木星、そして宇宙のほとんどの惑星は、コマのように「垂直」に回転し、その北極はすべて太陽の北極と同じ方向を向いて宇宙に向けられています。しかし、天王星は違います。天王星だけが横向きに回転し、その環と衛星は軌道を回るときに太陽系の平面から「上」と「下」に揺れます。

では、天王星系をひっくり返した原因は何だったのか？ 天王星系は、誕生のきっかけとなった塵の円盤の最初のねじれによって自然に傾いた可能性もあるが、多くの惑星科学者は、数十億年の誕生のうち数億年しか経っていない若い惑星が、壊滅的な衝突に見舞われたと推測している。当時、初期の太陽系には標準的な8個（程度）よりも多くの惑星が渦巻いていたため、衝突は避けられなかった。テイアと呼ばれる火星サイズの岩石が、地球の大部分を溶かして月を作った可能性がある。同様に、生まれたばかりの天王星は、地球の数倍はあると思われる氷の球が中心から外れて激しく衝突し、両方の天体をひっくり返した可能性がある。塵が落ち着いたとき、残った2つの惑星は1つの回転する世界に融合しただろう。

研究者たちは、1990年代初頭にコンピューターシミュレーションでこの理論を初めて検証した。彼らは原始天王星とその敵対天体を、それぞれが地球の月のおよそ10分の1の質量に相当する数千のデジタル断片に分割した。2つの粒子雲をさまざまな速度と角度で何度も衝突させることで、二重のハルマゲドンはわずか数日しか続かず、その後、結果として生じた合体は確かに特徴的な回転を獲得したという結論に達した。

2年前、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のドン・コリカンスキー氏とロスアラモス国立研究所のクリス・フライヤー氏を含むチームが、この考えをさらに推し進めた。彼らは30年にわたるコンピューター技術の進歩を駆使し、それぞれが数百万個の破片でできた2つの惑星の衝突をさまざまな角度からシミュレーションした。「1辺200ピクセルのモニターから2000×2000ピクセルの画像に変わるようなものです」とコリカンスキー氏は言う。「さらに調査できる詳細がたくさん見えます」。惑星の転倒理論は、彼らの高解像度の精査に耐えた。

現在、アイダ氏と彼の同僚による研究は、以前のシミュレーションが中断したところから再開されている。「彼らはそれを次のレベルに引き上げました」とフライヤー氏は言う。「かなりエキサイティングになってきています。」

2つの世界を破壊すると混乱が生じ、以前のモデルでは、大量の破片ができたばかりの球体の周りを回ることになると示唆されていたが、惑星全体のシミュレーションでは破片がどのような形になるかを正確に特定できなかった。先週Nature Astronomyに掲載された Ida の研究結果は、円盤自体にズームインし、システムの歴史を2つの異なる時代に分けることで、この問題に取り組んでいる。

過去のシミュレーションで予測された円盤の質量から始めて、彼らはまず衝突直後の状況を分析した。最初の惑星がほとんど氷の球体だったと仮定すると、衝突の激しさでその一部が蒸発したはずだ。研究チームは破片を水素とヘリウムガスが混ざった水蒸気の雲とみなし、円盤が軌道を描いて惑星に落下する間にどのように冷却され薄くなったかを分析した。その結果、数千年後に最終的に氷の粒子に凝縮され、それが数マイルにも及ぶ氷の塊に凝集し、天王星の将来の衛星の種となったことが判明した。

残骸が雲から塊状の物体の集まりに変わったとき、アイダのチームは戦略を変えた。彼らは、最初のシミュレーションの結果によって特性が固定された 10,000 個の氷の小衛星の群れで構成されたデジタル天王星を組み立て、それらを飛ばした。避けられないバンパーカーのゲームが落ち着いたとき、約 12 個の大きな生存者が残った。それらのさまざまなサイズと位置は、天王星の観測された衛星と一致した。最大の 4 つは、特に現実に近かった。

井田氏によると、この結果は他のモデルにおける多くの課題を解決し、より複雑な理論は不要になるという。「私たちの研究は、ディスクの進化を適切に考慮すれば、単純な衝突シナリオで天王星の衛星系が見事に再現されることを示しています」と井田氏は言う。

他の衝突研究者は、この研究によってこのシステムの形成に関する理解は大きく変わることはないが、理論の説明力が以前の2倍になったと述べている。「衝突モデルは傾きを簡単に説明するだけでなく、天王星の衛星はどうやって形成されたのかという疑問にも答えてくれます」とフライヤー氏は言う。

これまでの研究では、この惑星が岩石か氷のどちらでできているかについては、あまりはっきりしていなかった。しかし、今回の研究によると、氷だけが十分に粘着性があり、うまく集まって小衛星を形成できるらしいので、将来のモデルでは、氷のシナリオを具体化することに重点を置くことができるかもしれない。アイダ氏は、この系の衛星の氷と岩石の相対的な量を正確に考慮することが、今後の研究の大きな方向性だと述べている。

しかし、惑星科学界が過去を振り返ることで学べることは限られている。研究者らは、天王星の実際の衛星と一致する「正しい答え」を生成するコンピュータ プログラムを構築することは大きな前進だが、決定的な証拠は、現在未知の特徴の真の予測となるだろうと述べている。たとえばフライヤーは現在、衝突の熱でどのような物質が形成されたかを予測する新しいシミュレーションを開発中である (惑星がもっと冷たいままだったであろう、それほど劇的ではない形成シナリオとは対照的)。このような理論を確認するには、将来の宇宙船が外に出て、天王星が正確に何でできているかを調べる必要があるだろう。

フライヤー氏は、自分やアイダ氏のような理論的研究によって、衝突によってのみ生み出される可能性のあるさまざまな兆候が明らかになることを期待している。また、外惑星へのミッションは計画と実行に数十年かかるため、計算する時間は十分にあるだろう。