木星が巨大化する前、木星はかなりめちゃくちゃな幼少期を過ごしていた

木星は太陽の周りを回る惑星の中では群を抜いて大きい。しかし科学者たちは、木星がまだ若かった頃に何度も受けた衝撃が、数百万年にわたって木星の成長を阻害していた可能性があることを発見した。

木星は質量が地球の約300倍で、太陽系最大の惑星です。比較すると、次に大きい土星の質量は地球の約95倍しかありません。

これまでの研究では、木星は強力な重力で太陽系の周囲に惑星の構成要素を飛ばすことで、より小さな兄弟惑星の形成を制御したと示唆されている。しかし、木星自体がどのようにして現在の巨大なサイズに成長したかについては、まだ不明な点が多い。

「木星の巨大な質量とそれが形成されるのに要した時間への取り組みは、科学者たちが50年にわたって直面してきた課題だ」とイェール大学の天体物理学者グレゴリー・ラフリン氏は語った。

木星の成長の物語を複雑にしているのは、昨年明らかにされた隕石の分析で、木星の核は太陽系誕生後100万年以内に地球の質量の約20倍に急速に成長したが、その後、地球の質量の50倍に成長するのに十分な物質を集めるのにさらに200万年ほどかかったことが示唆された。「私たちは非常に困惑しました。なぜなら、私たちの経験からすると、地球の質量の20倍の核が、示唆されているほどゆっくりとした速度でガスを集積することは不可能に思えたからです」と、スイスのベルン大学の天体物理学者で、今週ネイチャー・アストロノミー誌に掲載された研究の筆頭著者であるヤン・アリベール氏は述べた。

隕石の発見によって生じた謎を解くため、科学者たちは最先端のコンピュータ惑星形成モデルを使用して、木星がガス、塵、数センチの小石、そして数キロメートルから数百キロメートルの大きさの微惑星と呼ばれる大きな塊からどのように誕生したかをシミュレートした。巨大惑星形成の標準モデルでは、微惑星は他の岩石が集積できる惑星の胚として機能し、この種子が臨界質量を超えると急速にガスを集積して巨大サイズに膨張すると示唆されている。

新たな発見は、木星の成長を複数の段階に分けたものだ。まず、微惑星が急速に小石をまとい、100万年以内に地球の約20倍の質量にまで急速に成長した。次に、この惑星の核はより大きな微惑星に激しく衝突され、その後200万年で地球の50倍の質量にまで成長した。

この新しい研究における重要な発見は、微惑星の衝突によって大量の熱が放出されたということである。この熱により、若い木星は地球の20倍の質量を持つ強力な重力を持っていたにもかかわらず、大量のガスを集めることはできなかっただろう。

「ガスを集積する能力は、重力だけでなく、大気がどれだけ冷却され、収縮できるかにも左右される」と、スイスのチューリッヒ大学の天体物理学者で、この研究の共著者であるジュリア・ベンチュリーニ氏は述べた。「冷却と収縮により、より多くのガスが惑星の重力の影響下に入り、その結果、より多くのガスが大気の形で集積されるようになる。大気が加熱されると、冷却にはさらに長い時間がかかる」。この熱がなければ、20地球質量から50地球質量への成長には、数万年または数十万年かかるはずであり、「200万年ではない」とアリバート氏は述べた。

木星が十分に冷えると、急速に周囲にガスを蓄積し、現在の地球の300倍以上の質量を持つようになった。「微惑星がもたらす熱は、ガスの集積を遅らせ、隕石の制約によって与えられた時間スケールに合わせるために極めて重要です」とベンチュリーニ氏は言う。

「これはうまくいきそうな物語を物語っている」と、この研究には参加していないラフリン氏は語った。「これはおそらく木星の形成に関する最終的な結論ではないし、木星の形成に関する最終的な結論は決して得られないかもしれないが、正しい方向への一歩だ」

アリバート氏は、今後の研究では、木星の成長に関するこのモデルが太陽の周りの他の惑星の形成にどのような影響を与えたかを探ることができるかもしれない、と述べた。また、このモデルが太陽系外の惑星の形成をどう説明できるかについても調査できるかもしれない、と同氏は付け加えた。