地球の起源・・・太陽系の形成
2014年12月、小惑星探査機のはやぶさ2が、無事打ち上げられました。
調査が成功すると、生命の起源の一端が解明されるかもしれませんね。
水は、太陽系の外側で低温の領域から供給された、という説があります。
彗星（すい星）探査機ロゼッタによる、チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星の水分の調査では、
地球の水の起源は、彗星よりも小惑星である可能性が高いようです。
また、ロゼッタから放たれたフィラエが、彗星表面の着陸に成功し、
この彗星の地表付近の大気から、有機物が検出されました。
多くの衛星は、メタン等の炭素化合物や、アンモニア等の窒素化合物を含んでいるようですね。
生命自体が地球にやってきたという説（パンスペルミア説）もあります。
太陽系内で、地球以外で生命が存在する可能性がある星には、
エウロパ、があります。
イオ、ガニメデ、カリスト、タイタン、エンケラドゥス等にも可能性があるようです。 極限環境微生物
エウロパ、イオ、ガニメデ、カリストは、木星の衛星で、ガリレオ衛星ともいいます。
タイタンとエンケラドゥスは、土星の衛星です。
エウロパは、木星の第2衛星で、生命が存在する可能性があるようです。
表面は、厚さ3km以上の氷で覆われています。
潮汐力で発生する熱によって、氷層の下は氷がとけて海になっており、
地球にあるような熱水噴出孔も存在すると考えられています。
イオは、木星の第1衛星です。
活火山が観測されています。
これは、木星の引力と、他の衛星との軌道共鳴による潮汐力によるものとされています。
ガニメデは、木星の第3衛星です。
太陽系に存在する衛星の中では最大で、惑星である水星よりも大きいです。
ガニメデも、氷の層を持つと考えられています。
酸素原子を持つ大気も発見されました。ただし、大気圧は非常に薄いです。
カリストは、木星の第4衛星です。
内部に液体水の層が存在する可能性もあるようです。
最上部は、厚さ200 km前後の氷の層で、
その下は、未分化で一様な氷と岩石の混合物で占められているようです。
タイタンは、土星の第6衛星です。
濃い大気と雲があり、
表面気圧は、地球の1.5倍で、
大気の主成分は、窒素 (97％) とメタン (2％) です。
気象現象もあり、液体メタンの雨が降り、メタンやエタンの川や湖が存在します。
タイタンの氷の下には海があり、
硫黄やナトリウム、カリウムを含む塩水でできていると推定されています。
2014年、エンケラドゥスにも、液体の水からなる地下海が発見されたそうです。
余談ですが、天体の名前は、ギリシア神話に由来することが多いです。
星雲説によると、約46億年前に、
太陽系は、直径が約数光年もある巨大な分子雲が重力により収縮してできたとされます。
古い隕石の中から、星の爆発によってしか形成されない60Fe等の同位体が見つかりました。
これは、太陽系の近くで超新星爆発が起こったことを示唆します。
重く寿命の短い恒星だけが超新星となるため、
オリオン大星雲のように、多数の恒星が誕生する領域の一部で形成されたようです。
この領域は、直径7千から2万天文単位で、
質量は、太陽よりわずかに大きい程度とされます。
組成は、現在の太陽とほぼ同じで、
収縮したガス雲の質量の98％は、ビッグバンから1億年以内に合成された水素やヘリウムに痕跡程度のリチウムでした。
残りの2％は、第一世代の恒星の中で合成された重元素です。
角運動量保存の法則により、星雲は収縮時、より速く自転します。
星雲内の物質の密度が高まると、原子が頻繁に衝突し、運動エネルギーが熱に変換されます。
最も密度が高くなる中心は、周囲の円盤と比べ高温になります。
収縮した質量の大部分は、集まって太陽を形成し、
残りは、扁平な原始惑星系円盤を形成して、
惑星、衛星、小惑星や、その他の太陽系小天体等ができました。
形成当時の太陽系は、
内部太陽系には、水星程度の大きさの天体がいくつかあり、
外部太陽系は、今よりずっと小さく、
エッジワース・カイパーベルトは、太陽に近かったと考えられています。
天体同士の衝突は、太陽系の進化の原動力となっています。
惑星の位置は、変化し、入れ替わることもあります。
当初は現在とは逆に、天王星の方が、海王星より太陽から遠くにありました。
惑星軌道の移動は、初期太陽系の進化における原動力になったとされます。
尚、地球型惑星の軌道は、ジャイアント・インパクト期以降は安定しています。
約40億年前に、木星型惑星の移動による重力の釣り合いの変化によって、
後期重爆撃期が起こり、これは数億年も続きました。
この時、多数の小天体が内部太陽系に侵入しました。
月でみられるクレーターは、この時の名残です。
太陽の形成
約46億年前、太陽系は、巨大な分子雲が重力により収縮してできたとされます。
約10万年後、重力、ガス圧、磁場、回転等の拮抗した力により、
直径200天文単位以下の原始惑星系円盤が形成され、
中心に温度と密度が高い原始星（ 太陽 ）が形成されました。
この段階の太陽は、おうし座T型星のような星だったと考えられています。
おうし座T型星は、太陽質量の0.001倍から0.1倍の質量の原始惑星系円盤を伴っています。
この円盤は、数百天文単位の範囲に広がっています。
温度は数千Kと低いです。
5000万年以内には、太陽の中心の温度と圧力が高くなって、水素の核融合が始まり、
太陽は、主系列星の段階に入りました。
主系列星は、内部で水素の核融合により、ヘリウムを生成することでエネルギーを生産している恒星です。
惑星は、太陽の形成後に残ったガスや宇宙塵の円盤から形成されたと考えられています。
降着円盤モデルが有名です。
このモデルでは、
まず宇宙塵が太陽の周囲の軌道を回り始め、
次々に衝突して1kmから10km程度の微惑星という塊を作りました。
その後数百万年間は衝突により、1年あたり数cm程度の速さで成長しました。
地球型惑星（岩石質の惑星：水星、金星、地球、火星） 先カンブリア時代
太陽から4天文単位以内の内部太陽系では、
水やメタン等の揮発性の分子が凝縮するには温度が高すぎるため、
ケイ酸塩等の融点の高い物質が微惑星を形成し、
岩石質の惑星になりました。
これらの物質は宇宙では珍しく、星雲中には0.6％程度しか存在しないため、
地球型惑星は大きく成長できませんでした。
岩石質の原始天体は、地球質量の5％程度まで成長し、
その後は衝突合体を繰り返して大きくなりましたが、太陽形成後10万年程度で集積が止まりました。
惑星の形成がほぼ終わる頃には、
内部太陽系には、月から火星程度のサイズの原始惑星が50個から100個程もあったと考えられています。
その後、数億年かけて衝突や融合を繰り返して今の姿に近付きました。
これらの天体は、互いの重力に引かれあって最終的に現在の4個に落ち着きました。
この時の大きな衝突によって、月ができたり、水星の外殻が消失したりしたと考えられています。
このモデルは、初期の楕円に近い内部惑星の軌道が、
どのようにして今日のほぼ円に近い安定軌道に移ったかという問題があります。
これに対する仮説に、力学的摩擦が、
地球型惑星とその周りに残ったガス円盤または小天体の間に働いた、とするものがあります。
木星型惑星（巨大ガス惑星：木星、土星、天王星型惑星（天王星、海王星））
これらは、火星軌道と木星軌道の間の、揮発性物質が凝結して固体になる凍結線よりも外側で形成されました。
木星型惑星を形成する氷は、地球型惑星を形成する鉄やケイ酸塩よりも豊富にあり、
宇宙に最も多量に存在する水素やヘリウムを捕獲するのに十分な質量を持つに至りました。
凍結線より外側の原始天体は、300万年の間に地球質量の4倍程度になりました。
今日では、4つの木星型惑星の質量を合計すると、太陽の周りを回る天体の全質量の99％にもなります。
木星が凍結線のすぐ外側に存在することは、偶然ではないと考えられています。
凍結線上には蒸発した大量の水がたまるため、圧力が低い領域が形成され、
軌道上を回っている宇宙塵を加速するとともに、太陽の方向に行かないようにします。
この効果により、凍結線外の物質は、5天文単位以上太陽に近付くことができなくなります。
これによって物質の集積が加速し、地球質量の10倍程度の塊ができます。
これが周囲の水素を取り込み、約千年で地球質量の150倍まで成長し、
最終的には地球質量の318倍になりました。
土星は、木星より数百万年後になって形成されたため、
周囲に利用できるガスが少なく、木星と比べて小さくなりました。
星雲説では、外側にある天王星と海王星の位置は説明できません。
この2つの惑星は、ガスや宇宙塵の少ない領域にあり、軌道周期も形成には長すぎます。
現在の位置で形成された場合、核が形成されるまでに1億年もかかります。
そのため、天王星と海王星は、物質がより豊富に存在していた木星や土星の近傍で形成され、
数億年かけて外側へ移動した可能性が考えられています。
当初は、現在とは逆に、天王星の方が海王星より太陽から遠くにあったようです。
惑星の移動は、常に太陽の方向に向かうものばかりではなく、
ヴィルト第2彗星からのサンプルリターンによって、
太陽系形成時の物質が、太陽の方向からエッジワース・カイパーベルトの方向へ移動した
ことを示唆する結果も得られています。
若い星は、安定した古い星に比べて、強い恒星風が吹きます。
天王星と海王星は、木星と土星ができた後、
太陽風が強く吹き始めて、ガスや宇宙塵の多くが散逸してから形成されたと考えられています。
そのため、獲得できた水素やヘリウムは、1地球質量に満たない程度となりました。
天王星や海王星は、明確な核を持たないとも言われています。
300万年から1000万年後には、
太陽風によって、原始惑星系円盤のガスや宇宙塵が全て宇宙空間に吹き飛ばされ、
惑星の成長が止まったとされます。
海王星以遠の太陽系外縁部にある、
エッジワース・カイパーベルト、散乱円盤、オールトの雲等は、
氷で出来た小天体がまばらに存在する領域で、多くの彗星の発生源と考えられています。
太陽から遠い場所では、原始太陽系星雲が散逸する前に惑星を形成するには凝集が遅すぎ、
また宇宙塵の円盤も惑星を形成するには質量密度が十分ではありませんでした。
エッジワース・カイパーベルトは、太陽から30から55天文単位付近に存在し、
散乱円盤は、太陽から約100天文単位以遠にまで達し、
オールトの雲は、約5万天文単位から始まっています。
しかし、エッジワース・カイパーベルトは、元々今よりも密度が濃く、また太陽に近く、
外縁は、太陽から約30天文単位、
内縁は、太陽から15から20天文単位
（形成されたばかりで今よりやや太陽に近かった頃の、天王星や海王星の軌道のすぐ外側）
にあった、と考えられています。
太陽系の形成後、巨大惑星の軌道は、互いの重力の影響を受けながら、
残っていた多数の微惑星と共に少しずつ移動しました。
5億年から6億年経つと、木星と土星は2:1共鳴の軌道に落ち着き、
この共鳴により外側の天体がさらに外側に押し出されました。
海王星は、天王星を追い越して原始カイパーベルトに入り込みました。
それらの惑星は、外側に向かって移動する間に、氷でできた小天体の大部分を内側へ散乱させました。
散乱させられた微惑星は、次の惑星に出会うと、
同じように内側へ移動する間に惑星の軌道を外側へ動かしました。
このプロセスは微惑星が木星と相互作用して、
重力によって離心率の高い楕円軌道に移るか、太陽系から完全に離れるまで続きました。
これによって木星はわずかに内側へ移動しました。
木星によって楕円軌道に散乱させられた天体が、オールトの雲を形成しました。
海王星の移動による散乱の度合が低かった天体が、
現在のエッジワース・カイパーベルトや、散乱円盤を形成しました。
冥王星のような天体は、海王星の軌道と重力的に結びつき、
平均運動共鳴（2つの天体の公転周期が簡単な整数比になっている共鳴）の状態になりました。
微惑星円盤の摩擦は、天王星と海王星の軌道を再び円形にしました。
外部太陽系は、近傍の超新星爆発や、星間雲の通過、等の影響を受けていると考えられています。
外部太陽系の天体の表面は、太陽風、微小隕石、中性の星間物質等によって宇宙風化作用を受けます。
小惑星帯は、地球型天体領域と木星型天体領域の間、太陽から2 - 4天文単位の位置にあります。
小惑星帯には地球2、3個分の物質が集まり、多くの微惑星が形成されました。
これらは岩石質であり、後に融合して20個から30個の月から火星程度の大きさの原始惑星を形成しました。
しかし木星に近かったため、太陽より約300万年遅れてそれらが形成された後に、
この近辺で大きな変化が起こりました。
木星と土星の軌道共鳴が、小惑星帯に強く働きましました。
大きな原始惑星との重力的な相互作用は、多くの微惑星を散乱させました。
木星の重力は、この共鳴軌道の天体の速度を速め、衝突の頻度を高めました。
木星の軌道が徐々に内側に移動してくると、
共鳴点も小惑星帯の中を移動し、天体の密度や速度は激しく変化しました。
共鳴の累積作用や原始惑星は、微惑星を小惑星帯から散乱させ、
また離心率や軌道傾斜角を増大させました。
大きな原始惑星の一部は、木星の重力によって弾き出されましたが、
他はさらに内側に移動し、地球型惑星への最後の付加物となりました。
この第一の質量減少期の間に、巨大ガス惑星と原始惑星の効果によって、
小惑星帯の総質量は地球の1％以下にまで減少し、
ほとんどが小さな微惑星で占められるようになりました。
現在は、地球質量の約2000分の1であり、
この段階では、まだその10倍から20倍程度が残っていました。
現在の質量にまでなった第二の質量減少期は、
木星と土星が現在の2：1の共鳴軌道に入ってからと考えられています。
現在地球に存在する6×1021kgもの水も、
内部太陽系のジャイアント・インパクト期に初期の小惑星帯からもたらされたと考えられています。
水は、地球形成時から存在していたとするには揮発性が高すぎるため、
太陽系のより外側で、より低温の領域から供給された、という説があります。
水は、木星によって小惑星帯から弾き出された原始惑星や微惑星からもたらされたと考えられており、
エッジワース・カイパーベルトや、より遠くから来る彗星は、
地球にある水の6％以下と考えられています。
後期重爆撃期以後の小惑星帯の進化は、主に衝突によります。
衝突によって、多くの大きな小惑星は破壊され、
衝突を生き残ったものからは、新しい小さな天体ができました。
衝突によって生まれた破片は、小惑星族を形成しました。
衛星は、母天体の重力から逃げ切れなかった物質が集まったものと考えられています。
衛星は、惑星や他の多くの太陽系の天体ができた頃にできたと考えられています。
太陽系の衛星中で、5番目に大きいです。
地球の月や、イオは、主に岩石で出来ています。
その他の衛星は主に岩石と氷で出来ていますが、
エウロパのように岩石からなる核の周囲を厚い氷の層が覆っているものと、
カリストのように分離しきらず岩石と氷が混ざった状態のものがあると考えられています。
衛星形成について。
1.周惑星円盤から同時に形成（木星型惑星のみ）。
2.（十分に大きく、浅い角度で起きた）衝突の破片から形成。
3.近傍を通過する天体を捕獲。
木星型惑星の大きな衛星は、巨大惑星の周りにできた円盤から形成されたと考えられています。
これらは、サイズが大きいことと、惑星との距離が近いことが特徴です。
木星のガリレオ衛星や、土星のタイタン等があります。
木星型惑星の遠い軌道を回る衛星は、捕獲された衛星と考えられています。
これらは、比較的小さく、軌道傾斜角が様々な楕円軌道を持つことが特徴です。
多くは、惑星の自転と逆方向に公転しています。
最大のものは海王星の衛星のトリトンで、
捕獲されたエッジワース・カイパーベルト天体と考えられています。
地球型惑星の衛星は、衝突か捕獲によってできたと考えられています。
火星の衛星、ダイモスとフォボスは、捕獲された小惑星と考えられています。
地球の月は、斜め方向の巨大衝突によってできたものと考えられています。
火星程度の質量の天体が地球に衝突し、
この天体のマントル部分が軌道上にたたき出され、それが集まって月が形成されました。
これは、地球を形成した衝突の最後のものと考えられています。
尚、地球に衝突した天体は、太陽と地球のラグランジュ点の一つ（L4かL5）で形成された、という説があります。
冥王星（準惑星）の衛星カロンも、巨大衝突によって形成されたと考えられています。
太陽系の惑星と準惑星で、衛星が主星の1％以上の質量を持つのは、
地球 - 月系と、
冥王星 - カロン系の2つだけです。
衛星の進化は、
主に潮汐力により、以下の3つがあります。
1. 衛星が惑星の自転と同じ方向に公転し、惑星の自転周期が衛星の公転周期よりも早い場合は、
潮汐作用は、常に衛星の方向に引っ張られるように働きます。
衛星はエネルギーを得て、外側の軌道に移動し、
惑星の自転速度は時間とともに遅くなります。
地球の月でみられます。
地球と月は、自転と公転の同期が起こっており、月は常に地球に同じ面だけを見せています。
月は地球から遠ざかり続けており、
地球の自転は徐々に遅くなっています。
木星のガリレオ衛星や、
土星の大きな衛星でもみられます。
2. 衛星の公転速度が、
惑星の自転速度より速かったり、惑星の自転速度と反対方向に公転したりする場合は、
潮汐作用によって衛星の公転速度が遅くなります。
この場合、潮汐力で引きちぎられるまで惑星に近付き、
粉々になって惑星の環になったり、惑星に衝突したりします。
3000万年から5000万年以内に火星の衛星フォボス、
36億年以内に海王星の衛星トリトンが、このような運命になるとされます。
3. 惑星と衛星の自転と公転の同期が起こっている場合は、
潮汐作用が直接衛星に影響し、角モーメントの転移は起こらず、
軌道周期も変わることはありません。
冥王星のカロンがあります。
土星の環は、
他の木星型惑星の環よりも大きく、
45億年前に惑星ができた時から存在したと考えられています。
2004年、探査機カッシーニによる土星の環の観測により、
環は、10km幅の氷塊が繰り返し破壊、再生され、
環には常に新しい物質が供給されていることが分かりました。