第14章宇宙からの試料と太陽系の起源Cosmic Samples and the Origin of the Solar System

Many of the planetary systems discovered so far do not resemble our own solar system. Consequently, we have had to reassess some aspects of the “standard models” for the formation of planetary systems. Science sometimes works in this way, with new data contradicting our expectations. The press often talks about a scientist making experiments to “confirm” a theory. Indeed, it is comforting when new data support a hypothesis or theory and increase our confidence in an earlier result. But the most exciting and productive moments in science often come when new data don’t support existing theories, forcing scientists to rethink their position and develop new and deeper insights into the way nature works.

これまで発見された惑星系の多くは、太陽系に似ていない。そのため、惑星系形成の「標準モデル」の一部を見直す必要が生じた。科学は時にこのように、新しいデータが予想と食い違う形で進む。報道では、科学者が理論を「確かめる」ために実験をするという説明がよく見られる。実際、新しいデータが仮説や理論を支持し、以前の結果への確信を強めてくれるのは、安心できることだ。しかし科学で最も心躍り、実りの多い瞬間は、新たなデータが既存の理論を支持せず、科学者が立場を考え直し、自然の仕組みに対する新しく深い理解を築かざるをえなくなるときに訪れることが多い。

Nothing about the new planetary systems contradicts the basic idea that planets form from the aggregation (clumping) of material within circumstellar disks. However, the existence of “hot Jupiters”—planets of jovian mass that are closer to their stars than the orbit of Mercury—poses the biggest problem. As far as we know, a giant planet cannot be formed without the condensation of water ice, and water ice is not stable so close to the heat of a star. It seems likely that all the giant planets, “hot” or “normal,” formed at a distance of several astronomical units from the star, but we now see that they did not necessarily stay there. This discovery has led to a revision in our understanding of planet formation that now includes “planet migrations” within the protoplanetary disk, or later gravitational encounters between sibling planets that scatter one of the planets inward.

新たに見つかった惑星系のどの性質も、惑星は星周円盤内の物質が集まって塊になることで形成される、という基本的な考え方とは矛盾しない。しかし「ホットジュピター」、すなわち木星ほどの質量を持ちながら、水星の軌道よりも恒星に近い場所を回る惑星の存在が、最大の問題を突き付ける。分かっている限り、巨大惑星は水の氷の凝縮なしには形成できず、水の氷は恒星の熱にこれほど近い場所では安定に存在しない。「熱い」ものも「普通の」ものも、すべての巨大惑星は恒星から数AUの距離で形成された可能性が高い。しかし、必ずしもそこにとどまらなかったことが、今では分かる。この発見は惑星形成の理解の修正につながった。現在は、原始惑星系円盤の中での「惑星移動」、あるいは後から兄弟惑星どうしが重力的に遭遇し、一つを内側へ散乱させることを含めて考える。

Many exoplanets have large orbital eccentricity (recall this means the orbits are not circular). High eccentricities were not expected for planets that form in a disk. This discovery provides further support for the scattering of planets when they interact gravitationally. When planets change each other’s motions, their orbits could become much more eccentric than the ones with which they began.

多くの太陽系外惑星は大きな軌道離心率を持つ。これは軌道が円ではないことを意味すると、思い出してほしい。円盤の中でできる惑星に、高い離心率は予想されていなかった。この発見は、惑星が重力的に相互作用したときに散乱されるという考えを、さらに支持する。惑星が互いの運動を変えると、軌道は最初よりはるかに細長くなる可能性がある。

There are several suggestions for ways migration might have occurred. Most involve interactions between the giant planets and the remnant material in the circumstellar disk from which they formed. These interactions would have taken place when the system was very young, while material still remained in the disk. In such cases, the planet travels at a faster velocity than the gas and dust and feels a kind of “headwind” (or friction) that causes it to lose energy and spiral inward. It is still unclear how the spiraling planet stops before it plunges into the star. Our best guess is that this plunge into the star is the fate for many protoplanets; however, clearly some migrating planets can stop their inward motions and escape this destruction, since we find hot Jupiters in many mature planetary systems.

惑星移動がどのように起こりえたかについては、複数の提案がある。その多くは、巨大惑星と、それらを生んだ星周円盤の残りの物質との相互作用を考える。この相互作用は、惑星系がまだ非常に若く、円盤に物質が残っていた時期に起こったはずだ。この場合、惑星はガスや塵より速く動くため、一種の「向かい風」、あるいは摩擦を受ける。そのためエネルギーを失い、らせんを描いて内側へ進む。内へ巻き込まれる惑星が、恒星へ突入する前にどうやって止まるのかは、まだ明らかでない。現時点で最も有力な推測は、多くの原始惑星が実際に恒星へ突入する運命をたどるというものだ。しかし、多くの成熟した惑星系でホットジュピターが見つかる以上、移動する惑星の一部が内向きの運動を止め、この破壊を免れうることも明らかである。

The first planet circling a distant solar-type star was announced in 1995. Twenty years later, thousands of exoplanets have been identified, including planets with sizes and masses between Earth’s and Neptune’s, which we don’t have in our own solar system. A few percent of exoplanet systems have “hot Jupiters,” massive planets that orbit close to their stars, and many exoplanets are also in eccentric orbits. These two characteristics are fundamentally different from the attributes of gas giant planets in our own solar system and suggest that giant planets can migrate inward from their place of formation where it is cold enough for ice to form. Current data indicate that small (terrestrial type) rocky planets are common in our Galaxy; indeed, there must be tens of billions of such earthlike planets.

遠方の太陽型星を回る最初の惑星は、1995年に発表された。20年後には数千個の太陽系外惑星が確認されており、その中には、太陽系にはない、地球と海王星の間の大きさや質量を持つ惑星も含まれる。太陽系外惑星系の数%は、恒星のすぐ近くを公転する大質量の「ホットジュピター」を持ち、多くの太陽系外惑星は離心率の高い軌道も持つ。この二つの特徴は、太陽系の巨大ガス惑星の性質と根本的に異なる。そして、巨大惑星が、氷が形成されるほど低温だった誕生の場所から、内側へ移動しうることを示唆する。現在のデータは、小さな地球型の岩石惑星が銀河系でありふれていることを示す。実際、そのような地球に似た惑星は数百億個あるはずだ。