[論文レビュー] A pre-Caloris synchronous rotation for Mercury

M. A. Wieczorek, A. C. M. Correia+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2011

Astro and Planetary Science参考文献 31被引用数 28

ひとこと要約

本稿では、水星が初期に逆行回転していた可能性があり、68%の確率で同期回転に捕獲された後、特にカロリス盆地を形成する大規模衝突によって角運動量が移動し、最終的に現在の3:2自転軌道共鳴に捕獲されたと提案している。モデルは、同期回転下での空間的に可変な衝突率を考慮することで、カロリス以前の盆地の観測分布を説明できる。

ABSTRACT

The planet Mercury is locked in a spin-orbit resonance where it rotates three times about its spin axis for every two orbits about the Sun. The current explanation for this unique state assumes that the initial rotation of this planet was prograde and rapid, and that tidal torques decelerated the planetary spin to this resonance. When core-mantle boundary friction is accounted for, capture into the 3/2 resonance occurs with a 26% probability, but the most probable outcome is capture into one of the higher-order resonances. Here we show that if the initial rotation of Mercury were retrograde, this planet would be captured into synchronous rotation with a 68% probability. Strong spatial variations of the impact cratering rate would have existed at this time, and these are shown to be consistent with the distribution of pre-Calorian impact basins observed by Mariner 10 and MESSENGER. Escape from this highly stable resonance is made possible by the momentum imparted by large basin-forming impact events, and capture into the 3/2 resonance occurs subsequently under favourable conditions.

研究の動機と目的

• 水星の現在の3:2自転軌道共鳴が、標準的な前向き回転モデルとは異なり、初期に逆行回転をしていた場合に生じる可能性があるかどうかを調査すること。
• 逆行初期条件における同期捕獲の確率と、その後の大規模衝突イベントによる脱出の可能性を評価すること。
• 観測されたカロリス以前の衝突盆地の空間的分布が、同期回転段階と整合するかどうかを検証すること。
• 水星が同期回転から脱出でき、3:2共鳴に再捕獲されるために必要なサイズと衝突幾何学的条件の閾値を定量化すること。
• 軌道離心率とコアマントル境界摩擦が共鳴遷移に与える影響を評価すること。

提案手法

• 潮汐散逸、惑星間摂動、コアマントル境界摩擦モデルを用いて、1億年間の水星の回転および軌道的進化を数値積分する。
• 初期に逆行回転（−10日周期）を仮定した1,000回のシミュレーションを統計的に分析し、共鳴捕獲確率を特定する。
• 衝突クレーター拡大則を用いて、盆地形成衝突による角運動量移動をモデル化し、必要な小惑星サイズを推定する。
• 初期の衝突後回転速度を変化させた条件下で、衝突後の回転進化をシミュレーションし、3:2共鳴への捕獲確率を評価する。
• 同期回転下での予測された衝突率パターンと、マリナー10およびメッセンジャーの観測データを比較する。
• 2種類の近地小惑星集団モデル（BottkeらとH < 18の観測対象）を用いて、予想される衝突フラックスと速度分布を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期回転が逆行の場合、水星が同期回転に捕獲される確率はどの程度か？
• RQ2 大規模衝突イベントによって、水星が同期回転から脱出可能であり、その後に3:2自転軌道共鳴に再捕獲される可能性はあるか？
• RQ3 カロリス以前の衝突盆地の観測された空間的分布は、同期回転段階と整合するか？
• RQ4 同期回転から脱出できるように回転速度を上回るためには、どのサイズと衝突幾何学的条件が必要か？
• RQ5 軌道離心率とコアマントル摩擦の変動が、共鳴遷移の確率にどのように影響するか？

主な発見

• 初期に逆行回転がある場合、同期回転への捕獲確率は68%に達するが、標準的な前向きモデルではわずか26%にとどまる。
• 大規模衝突による角運動量移動によって、同期回転からの脱出が可能であり、特にカロリス盆地（1450 km径）が3:2共鳴への直接的移行を可能にする最後の出来事であった。
• 3:2共鳴への直接的移行には、650〜1100 kmの直径を持つ盆地の形成が必要であり、このサイズ範囲にある既知の14個の盆地のうち約半数が有利な衝突幾何学的条件を満たしている。
• 同期回転から脱出する衝突（衝突後回転速度が同期回転速度の約1.1倍）の後、3:2共鳴への捕獲確率は1,000回のシミュレーションで56%に達する。
• 衝突後回転速度が3:2共鳴の回転速度を超える場合、3:2共鳴への捕獲確率は96%に達し、有利な条件下では高い安定性を示す。
• カロリス以前の盆地の観測された方位分布（90°W、0°Nからの平均約65°）は、均一な衝突率とは整合しないが、90°Wまたは90°Eに日周点がある同期回転下の予測と一致する。