[論文レビュー] Impact-induced differentiation in icy bodies

W. B. Tonks, E. Pierazzo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Astro and Planetary Science参考文献 36被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、大型の高速衝突が、密度の高い物質の重力分離を可能にする一時的な溶融帯を生成することによって、氷の惑星的天体における全身的分化を引き起こす可能性を提案している。衝突溶融モデルとモンテカルロシミュレーションを用いて、準衛星がヨーロパ質量以上に達すると、分化が確実に発生することが示され、太陽系外の粒子からの衝突確率の違いによって、ガニメーデとカイスターの異なる内部構造が説明できる。

ABSTRACT

By the time icy objects grow to about the mass of Europa and silicate bodies grow to approximately lunar mass, a large high-speed impact can generate an intact melt region that allows the dense material to gravitationally segregate, forming a large density anomaly. If this anomaly generates sufficient differential stress, it rapidly segregates to the object's center, triggering whole body differentiation. We used an impact melting model based on the Hugoniot equations, the linear shock-particle velocity relationship, and the empirical relationship between shock pressure and distance coupled with a Monte Carlo simulation of the late accretion process to determine conditions under which large impacts trigger differentiation in icy bodies. In a gas-free environment, impacts of projectiles in the satellite's accretion zone have a small probability of triggering differentiation in surviving proto-satellites as small as Triton. The probability increases to 100% by the time surviving proto-satellites grow to the mass of Europa. The impact of heliocentric particles captured by the central planet also effectively triggers differentiation in the icy satellites. If the largest projectiles in the heliocentric distribution are comparable to the mass of the growing satellites, they trigger differentiation in all surviving proto-satellites by the time they grow to the mass of Callisto. However, Callisto and Ganymede have different probabilities of impact-induced differentiation if they captured a small fraction (0.01 and 0.5%) of the particles they accreted from a distribution of small (largest particles ~10% of the satellite's mass) heliocentric objects. Impact induced differentiation explains the apparent difference between these two objects in a plausible way.

研究の動機と目的

• 大型の衝突が、原始的天体の集積段階中に氷の惑星的天体における全身的分化を引き起こすかどうかを調査すること。
• 衝突によって生成された溶融帯が、密度の高い物質の重力分離を引き起こす条件を特定すること。
• トリトン、ヨーロパ、カイスター、ガニメーデを含む、さまざまな氷の衛星質量における衝突誘発分化の確率を評価すること。
• ガニメーデとカイスターの観測された内部構造の違いを、衝突歴と小規模な太陽系外粒子の吸収確率の違いによって説明すること。
• 太陽系外の衝突体が、特にガスのない環境における氷の衛星の分化を引き起こす役割をモデル化すること。

提案手法

• 衝突誘発溶融体積を推定するために、ハゴニオ方程式に基づく衝突溶融モデルを用いた。
• 衝突速度と衝撃圧の関係を、線形衝撃粒子速度関係を用いて結びつけた。
• 溶融帯の広がりをモデル化するために、経験的衝撃圧-距離関係を組み込んだ。
• 衝突体の集積と頻度をサンプリングするために、後期集積プロセスのモンテカルロシミュレーションを実施した。
• トリトンからヨーロパおよびカイスター質量の氷の天体における衝突結果をシミュレートした。
• 重力分離を駆動するのに十分な差圧を生成する可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの質量閾値の氷の天体が、高い確率で衝突誘発分化を経験するか？
• RQ2 太陽系外の衝突体は、氷の衛星の分化可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ヨーロパとカイスターは同程度のサイズであるにもかかわらず、なぜ異なる内部構造を示すのか？
• RQ4 一時的な溶融帯が、密度の高い物質の重力分離を可能にする役割は何か？
• RQ5 小規模な太陽系外粒子の集積は、衝突誘発分化の確率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ヨーロパ質量以上に達する生存する準衛星では、衝突誘発溶融による分化が100%の確率で確実に発生する。
• ガスのない環境では、集積帯に存在する衝突体からの衝突が、トリトン程度の小さな準衛星に対しても分化を誘発するが、初期段階では低い確率である。
• 成長中の衛星と同等の質量を持つ太陽系外の衝突体は、カイスター質量に達するまでの時点で、すべての生存する準衛星で分化を引き起こす。
• カイスターとガニメーデの内部構造の違いは、小規模な太陽系外粒子の吸収割合（0.01% 対 0.5%）に依存する分化確率の違いによって、妥当に説明できる。
• 衝突誘発分化は、長期間にわたる放射性核種による内部加熱を必要とせず、観測された密度異常とコア形成を説明する有効なメカニズムを提供する。
• モデルは、大型衝突による一時的溶融帯が、急速な重力分離を駆動するに十分な差圧を生成できることを予測しており、これにより全身的分化が生じる。