[論文レビュー] Last giant impact on the Neptunian system. Constraints on oligarchic masses in the trans-Saturnian region

M. G. Parisi, L. del Valle|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Apr 4, 2011

Astro and Planetary Science参考文献 50被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、原始ネプチューンに対する最終的な巨大衝突をモデル化し、ネプテューンの現在の黄道傾きおよび不規則衛星系を規定する最後のオリガルチック衝突体の質量を制約する。角運動量およびインパルス伝達の計算を用いて、ネプテューンの自転を再現するには衝突体質量が ≤4 M⊕ でなければならないし、現在の不規則衛星系を保存するには ≤1.4 M⊕ でなければならないことが判明した。これは形成位置や移動歴に依存しない。

ABSTRACT

Stochastic impacts by large bodies are, at present, the usually accepted mechanisms able to account for the obliquity of the ice giants. We attempt to set constraints on giant impacts as the cause of Neptune's current obliquity in the framework of modern theories. We also use the present orbital properties of the Neptunian irregular satellites (with the exception of Triton) to set constraints on the scenario of giant impacts at the end of Neptune formation. We model the angular momentum transfer to proto-Neptune and the impulse transfer to its irregular satellites by the last stochastic collision (GC) between the protoplanet and an oligarchic mass at the end of Neptune's formation. We obtain that an impactor mass greather than 4 Earth masses is not possible since it cannot reproduce the present rotational properties of the planet, unless the impact parameter of the collision were very small. On the other hand, if the impactor mass was greather than 1.4 Earth masses, the present Neptunian irregular satellites had to be formed or captured after the end of stochastic impacts. The upper bounds on the oligarchic masses (4 Earth masses from the obliquity of Neptune and 1.4 earth masses from the Neptunian irregular satellites) are independent of unknown parameters, such as the mass and distribution of the planetesimals, the location at which Uranus and Neptune were formed, the Solar Nebula initial surface mass density, and the growth regime. If stochastic impacts had occurred, these results should be understood as upper constraints on the oligarchic masses in the trans-Saturnian region at the end of ice planet formation and may be used to set constraints on planetary formation scenarios.

研究の動機と目的

• ネプテューンの黄道傾きを変化させた最後の巨大衝突体の質量を特定すること。
• 現在の海王星系不規則衛星集団を保存または捕獲できた衝突体の質量を制約すること。
• 不確かな初期円盤パラメータに依存しない、氷巨大惑星形成終了時における移行土星外領域におけるオリガルチック天体の質量制限を確立すること。
• ネプテューンがその場で形成されたか、10–20 AU の間で形成されたかを評価し、衝突シナリオが現在の惑星および衛星の性質と整合するかを検証すること。
• 回転運動および衛星系の性質を診断として用いて、惑星形成モデルに独立した制約を提供すること。

提案手法

• 角運動量保存則および衝突力学を用いて、最後の巨大衝突から原始ネプテューンへの角運動量伝達をモデル化する。
• インパルス伝達理論を適用し、衝突体が不規則衛星の軌道的性質に与える影響を推定する。
• ネプテューンの観測済み現在の自転パラメータ（黄道傾き、自転速度）を、衝突体質量および衝突パラメータの制約として用いる。
• ネプテューン系不規則衛星の現在の軌道的および物理的性質を、衝突体質量および衝突時刻の制約として用いる。
• 最小衝突体質量を 1 M⊕ と仮定し、4 M⊕ まで変化させることで、観測と整合する上限を特定する。
• 2つの形成モデル（その場形成および10–20 AU での形成）の下でシナリオを評価し、移動あり・なしを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の巨大衝突によってネプテューンの現在の黄道傾きを再現できる最大のオリガルチック衝突体質量は何か？
• RQ2 現在の海王星系不規則衛星集団を破壊せずに保存または捕獲できる衝突体質量はどの程度か？
• RQ3 衝突体質量の制約は、ネプテューンの形成位置（その場対 10–20 AU）や移動歴にどのように依存するか？
• RQ4 ネプテューンの観測された自転および衛星系は、確率的衝突のみで説明可能か？ そして、移行土星外領域におけるオリガルチック質量にどのような含意があるか？
• RQ5 これらの制約は、特にニースモデルやその場形成を含む惑星形成モデルにどのような含意を持つのか？

主な発見

• ネプテューンの現在の黄道傾きを単一の巨大衝突で再現するには、衝突体質量 mi ≤ 4 M⊕ が必要であり、これはネプテューンがその場で形成されたか 10–20 AU で形成されたかにかかわらず成り立つ。
• 衝突体質量が mi > 4 M⊕ であれば、衝突パラメータが非常に小さい場合を除き、ネプテューンの現在の回転特性を再現できないため、そのような衝突は極めて不確実である。
• 現在の海王星系不規則衛星集団を保存または捕獲するには、衝突体質量 mi ≤ 1.4 M⊕ が必要であり、最後の巨大衝突が捕獲以前に発生したと仮定した場合に成立する。
• 衝突体質量が 1.4 M⊕ を超えていれば、現在の不規則衛星集団は、確率的衝突の終了後に形成または捕獲されたものでなければならない。
• オリガルチック質量の上限（黄道傾きから導かれる 4 M⊕、衛星から導かれる 1.4 M⊕）は、小惑星質量、初期原始星間物質密度、形成位置といった未知のパラメータに依存しない。
• これらの制約は、氷巨大惑星形成終了時における移行土星外領域におけるオリガルチック天体の質量に、強固でモデルに依存しない上限を提供する。