第9章クレーターに覆われた世界Cratered Worlds

It is characteristic of modern science to ask how things originated. Understanding the origin of the Moon has proven to be challenging for planetary scientists, however. Part of the difficulty is simply that we know so much about the Moon (quite the opposite of our usual problem in astronomy). As we will see, one key problem is that the Moon is both tantalizingly similar to Earth and frustratingly different.

物事がどのように生まれたのかを問うことは、現代科学の特徴である。しかし、月の起源を理解することは、惑星科学者にとって難題だとわかってきた。難しさの一部は、単純に、月について非常に多くのことがわかっている点にある。これは、天文学でふつう直面する問題とは正反対である。これから見るように、重要な問題の一つは、月が地球に、手がかりになりそうなほど似ていながら、もどかしいほど違ってもいることである。

Most of the earlier hypotheses for the Moon’s origin followed one of three general ideas:

月の起源についての初期の仮説の大半は、大きく分けて、次の三つの考え方のどれかに沿っていた。

Unfortunately, there seem to be fundamental problems with each of these ideas. Perhaps the easiest hypothesis to reject is the capture theory. Its primary drawback is that no one knows of any way that early Earth could have captured such a large moon from elsewhere. One body approaching another cannot go into orbit around it without a substantial loss of energy; this is the reason that spacecraft destined to orbit other planets are equipped with retro-rockets. Furthermore, if such a capture did take place, the captured object would go into a very eccentric orbit rather than the nearly circular orbit our Moon occupies today. Finally, there are too many compositional similarities between Earth and the Moon, particularly an identical fraction of the major isotopesRemember from the Radiation and Spectra chapter that the term isotope means a different “version” of an element. Specifically, different isotopes of the same element have equal numbers of protons but different numbers of neutrons (as in carbon-12 versus carbon-14.) of oxygen, to justify seeking a completely independent origin.

残念ながら、これらの考え方には、どれにも根本的な問題があるようだ。おそらく最も退けやすい仮説は捕獲説である。最大の難点は、初期の地球が、別の場所から来たこれほど大きな月を捕獲できる方法を、誰も知らないことだ。ある天体が別の天体に近づいても、大きくエネルギーを失わない限り、その周りの軌道には入れない。ほかの惑星を周回する予定の宇宙機に、逆噴射ロケットが備わっているのは、そのためである。さらに、そのような捕獲が実際に起きたとしても、捕獲された天体は、現在の月が通るほぼ円形の軌道ではなく、非常に細長い楕円軌道に入るはずである。最後に、地球と月には、組成上の共通点が多すぎて、完全に独立した起源を探すことは正当化できない。特に、酸素の主要な同位体の割合が同じである。〔注：「放射とスペクトル」の章で学んだように、同位体とは、ある元素の異なる「種類」を意味する。具体的には、同じ元素の異なる同位体は、陽子数が同じで、中性子数が異なる。炭素12と炭素14がその例である。〕

The fission hypothesis, which states that the Moon separated from Earth, was suggested in the late nineteenth century. Modern calculations have shown that this sort of spontaneous fission or splitting is impossible. Furthermore, it is difficult to understand how a Moon made out of terrestrial material in this way could have developed the many distinctive chemical differences now known to characterize our neighbor.

月が地球から分離したという分裂仮説は、19世紀後半に提案された。現代の計算では、この種の自発的な分裂や分離は不可能だと示されている。さらに、この方法で地球の物質からできた月に、現在知られている、私たちの隣の天体を特徴づける数多くの独特な化学的相違が、どのように生じたのかを理解するのも難しい。

Scientists were therefore left with the sister hypothesis—that the Moon formed alongside Earth—or with some modification of the fission hypothesis that can find a more acceptable way for the lunar material to have separated from Earth. But the more we learned about our Moon, the less these old ideas seem to fit the bill.

したがって科学者に残されたのは、月が地球と並んで形成されたという姉妹仮説か、月の物質が地球から分かれた方法として、より受け入れやすい仕組みを見いだせるように修正した分裂仮説だった。しかし、月について知れば知るほど、これらの古い考え方は、要求を満たしていないように見えてきた。

In an effort to resolve these apparent contradictions, scientists developed a fourth hypothesis for the origin of the Moon, one that involves a giant impact early in Earth’s history. There is increasing evidence that large chunks of material—objects of essentially planetary mass—were orbiting in the inner solar system at the time that the terrestrial planets formed. The giant impact hypothesis envisions Earth being struck obliquely by an object approximately one-tenth Earth’s mass—a “bullet” about the size of Mars. This is very nearly the largest impact Earth could experience without being shattered.

これらの見かけ上の矛盾を解くため、科学者は、月の起源について第四の仮説を考え出した。地球の歴史の初期に巨大衝突が起きた、という仮説である。地球型惑星が形成されたころ、実質的に惑星ほどの質量を持つ天体、すなわち大きな物質の塊が、太陽系の内側を周回していたという証拠が増えている。巨大衝突仮説では、地球の約10分の1の質量、火星ほどの大きさの「弾丸」が、地球に斜めに衝突したと考える。これは、地球が粉々に壊されずに経験できる、ほぼ最大規模の衝突である。

Such an impact would disrupt much of Earth and eject a vast amount of material into space, releasing almost enough energy to break the planet apart. Computer simulations indicate that material totaling several percent of Earth’s mass could be ejected in such an impact. Most of this material would be from the stony mantles of Earth and the impacting body, not from their metal cores. This ejected rock vapor then cooled and formed a ring of material orbiting Earth. It was this ring that ultimately condensed into the Moon.

そのような衝突は、地球の大部分をかき乱し、惑星をばらばらにするのに近いほどのエネルギーを放ちながら、大量の物質を宇宙へ放出しただろう。コンピューターシミュレーションによると、このような衝突では、地球の質量の数％に当たる物質が放出されうる。その大部分は、地球と衝突天体の金属核ではなく、岩石質のマントルに由来するはずである。この放出された岩石の蒸気は、その後冷えて、地球を周回する物質の環を作った。最終的に凝縮して月になったのは、この環だった。

While we do not have any current way of showing that the giant impact hypothesis is the correct model of the Moon’s origin, it does offer potential solutions to most of the major problems raised by the chemistry of the Moon. First, since the Moon’s raw material is derived from the mantles of Earth and the projectile, the relatively small metallic core is easily understood. Second, most of the volatile elements would have been lost during the high-temperature phase following the impact, explaining the lack of these materials on the Moon. Yet, by making the Moon primarily of terrestrial mantle material, it is also possible to understand similarities such as identical abundances of various oxygen isotopes.

現在、巨大衝突仮説が月の起源の正しいモデルであると示す方法はないが、この仮説は、月の化学組成が提起する主要な問題の大部分に、解決の可能性を与えてくれる。第一に、月の材料は地球と飛来物のマントルに由来するため、金属核が相対的に小さいことは容易に理解できる。第二に、衝突後の高温の段階で、揮発性元素の大部分が失われたはずなので、月にそれらの物質が少ないことを説明できる。それでも、月が主に地球のマントル物質からできたとすれば、各種の酸素同位体の存在比が同じであるなどの共通点も理解できる。

The three standard hypotheses for the origin of the Moon were the fission hypothesis, the sister hypothesis, and the capture hypothesis. All have problems, and they have been supplanted by the giant impact hypothesis, which ascribes the origin of the Moon to the impact of a Mars-sized projectile with Earth 4.5 billion years ago. The debris from the impact made a ring around Earth which condensed and formed the Moon.

月の起源に関する標準的な三つの仮説は、分裂仮説、姉妹仮説、捕獲仮説だった。どれにも問題があり、巨大衝突仮説に取って代わられた。この仮説は、45億年前に火星ほどの大きさの飛来物が地球へ衝突したことに、月の起源を求める。衝突の破片は地球の周囲に環を作り、それが凝縮して月になった。