[論文レビュー] Chemical Complementarity between the Gas Phase of the Interstellar Medium and the Rocky Material of Our Planetary System

Haiyang Wang, Charles H. Lineweaver|arXiv (Cornell University)|May 17, 2016

Astro and Planetary Science参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、銀河間物質（ISM）の気相における元素の欠落と、太陽系の岩石質惑星物質の元素組成との間に高い化学的補完性があることを示している。著者らは、ISMにおける欠落と地球および炭素けん石に由来する欠落を比較することで、ISMガスで欠落している元素が惑星固体で富化していることを示し、原始惑星の構築塊がISM由来の原始的ダストと惑星系円盤で凝縮した物質とが結合したという継承モデルを支持している。

ABSTRACT

We compare the elemental depletions in the gas phase of the interstellar medium (ISM) with the elemental depletions in the rocky material of our Solar System. Our analysis finds a high degree of chemical complementarity: elements depleted in the gas phase of the ISM are enriched in the rocky material of our Solar System, and vice versa. This chemical complementarity reveals the generic connections between interstellar dust and rocky planetary material. We use an inheritance model to explain the formation of primordial grains in the solar nebula. The primary dust grains inherited from the ISM, in combination with the secondary ones condensed from the solar nebula, constitute the primordial rocky material of our planetary system, from which terrestrial planets are formed through the effects of the progressive accretion and sublimation. The semi-major-axis-dependence of the chemical composition of rocky planetary material is also observed by comparing elemental depletions in the Earth, CI chondrites and other types of carbonaceous chondrites.

研究の動機と目的

• 銀河間物質（ISM）の気相における元素の欠落と、太陽系の岩石質惑星物質におけるそれらの欠落との間の化学的関係を調査すること。
• ISMガスで欠落している元素が、惑星固体でも富化しているかどうかを特定し、銀河間ダストと惑星の構築塊との間の化学的関連性を示すこと。
• この補完性が、太陽系円盤における原始的岩石質物質の起源に与える意味を探ること。
• 地球およびさまざまなけん石からのデータを用いて、岩石質物質の元素組成の半長軸依存性を検討すること。

提案手法

• 著者らは、銀河間物質（ISM）の気相における元素の欠落パターンと、太陽系の岩石質物質（地球およびさまざまなけん石タイプ）におけるそれらの欠落パターンを比較した。
• 遠方の星に向かって得られた吸収線分光法による観測データを用いて、ISMにおける元素の欠落を抽出した。
• 特にCIけん石および他の炭素けん石を含む隕石の元素組成を分析し、太陽系の初期状態を反映する物質を代表させた。
• 原始的ダスト粒子がISMから取り込まれ、太陽系円盤内で凝縮して生成された二次的粒子と混合されることを想定した継承モデルを適用した。
• 異なる軌道的起源を持つけん石群の間での欠落度を比較することで、組成の半長軸依存性を評価した。
• 統計的分析を用いて、ISMガスと惑星固体との間の化学的補完性の度合いを定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISMガス相で欠落している元素は、太陽系の岩石質惑星物質においてどの程度富化しているか？
• RQ2 ISMガスと惑星固体との間の化学的補完性は、惑星形成における銀河間ダストの継承をどのように支持するか？
• RQ3 一次的銀河間ダスト粒子と二次的惑星系円盤凝縮物が、地上惑星の原始的岩石質物質を形成する上で果たす役割は何か？
• RQ4 けん石群の違いから示される軌道的距離に応じた岩石質惑星物質の元素組成の変化は何か？
• RQ5 観測された補完性は、太陽系円盤内での原始的粒子の形成機構にどのような含意を持つか？

主な発見

• ISMガス相と岩石質惑星物質との間に高い化学的補完性が存在する：ISMガスで欠落している元素は、地球およびけん石で富化している。
• ISMと岩石質太陽系物質における元素の欠落は反比例関係にあり、これはISMにおけるダスト形成と惑星集積が化学的に関連したプロセスであることを示している。
• 本研究は、太陽系円盤内の原始的粒子が銀河間ダストに由来し、後に円盤ガスからの凝縮によって補完されたという継承モデルを支持している。
• 岩石質惑星物質の組成には半長軸依存性が見られ、内太陽系物質を代表するCIけん石は、他の炭素けん石とは異なる欠落パターンを示している。
• 観測された補完性は、地上惑星の構築塊が銀河間ダストの集積と、その後の太陽系円盤内での凝縮によって形成されたことを示唆している。
• 結果は、銀河間ダストと岩石質惑星物質との間に一般的な関連性があることを示しており、太陽系の岩石質惑星は、継承されたISM粒子と新たに凝縮された円盤物質の混合物から形成されたと考えられる。