[論文レビュー] Solar System Formation Deduced from Observations of Matter

J. Marvin Herndon|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2004

Astro and Planetary Science参考文献 31被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、物質組成の熱力学的分析に基づき、地球を含む岩石惑星が、原始惑星の高温でガス状の内部から液体凝縮と重力的沈降によって形成されたと提唱する。著者は、地球の原始質量が275–305地球質量であり、木星の質量と類似していると導き、初期の太陽系ガスおよび揮発性成分の分離が、超発光的段階において発生したとし、観測された系外惑星系と整合的であると結論づける。

ABSTRACT

Aspects of our Solar System's formation are deduced from observations of the chemical nature of matter. Massive cores are indicative of terrestrial-planet-composition-similarity to enstatite chondrite meteorites, whose highly-reduced state of oxidation may be thermodynamically stable in solar matter only at elevated temperatures and pressures. Consistent with the formation of Earth as envisioned by Arnold Eucken, thermodynamic considerations lead to the deduction that the terrestrial planets formed by liquid-condensation, raining out from the central regions of hot, gaseous protoplanets. The mass of protoplanetary-Earth, estimated to be 275-305mE, is similar to the mass of Jupiter, 318mE. Solar primordial gases and volatile elements were separated from the terrestrial planets early after planet formation, presumably during some super-luminous solar event, perhaps even before Mercury had completely formed. The pre-super-luminosity-terrestrial-planet mass distribution appears to be more consistent with observations of the close-in gas-giants of other planetary systems than the present-day-terrestrial-planet mass distribution. Although primarily formed by raining out from the centers of hot, gaseous protoplanets, evidence for the Earth and, by inference for the other terrestrial planets, suggests some outer, minor, secondary accretion of oxidized matter in the grain-growth accumulation way envisioned by George W. Wetherill. By contrast, the so-called "standard model" for our Solar System's formation has flawed conceptual underpinnings and would lead to the contradiction of terrestrial planets having insufficiently massive cores.

研究の動機と目的

• 物質の観測された化学的および物理的性質を用いて、岩石惑星の形成メカニズムを再評価すること。
• 特に核の質量が過小評価されている点に注目し、標準的惑星形成モデルの概念的欠陥を特定することで、そのモデルに挑戦すること。
• 原始惑星環境における熱力学的条件を通じて、地球の組成、特に極めて還元的状態の起源を説明すること。
• 系外惑星系における近軌道ガス惑星の質量分布と、岩石惑星の観測された質量分布を一致させること。

提案手法

• アメトスファイト隕石の化学組成を、岩石惑星の構築塊体の代理として分析する。
• 熱力学的原則を適用し、極めて還元的で酸化物が存在しない状態が、高温・高圧下でのみ安定であることを示し、これは原始惑星の内側領域と整合的である。
• 岩石惑星の形成を、原始惑星の中心部にある高温でガス状の核からの液体凝縮および重力的沈降（雨状落下）としてモデル化する。
• 原始惑星地球の質量を275–305地球質量と推定し、木星の質量と同等であると結論づける。
• 太陽の原始的ガスおよび揮発性成分が、若き太陽の超発光的段階の間に早期に放出された可能性を提唱する。
• 外側の酸化物質の付加を補助的メカニズムとして、ウェザーイルの粒子成長集積モデルを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期太陽系における熱力学的条件は、アメトスファイト隕石の極めて還元的状態をどのように説明できるか？
• RQ2 なぜ標準的モデルが、岩石惑星における十分に大きな核の質量を説明できないのか？
• RQ3 揮発性元素および太陽系ガスが岩石惑星から早期に分離されたメカニズムは何か？
• RQ4 275–305 M⊕の原始地球質量は、観測された系外惑星系とどのように比較できるか？
• RQ5 酸化物質の二次的集積が、地球の最終的組成にどの程度寄与したか？

主な発見

• 原始地球の質量は275–305地球質量であり、木星の318 M⊕と同等であるため、巨大な原始惑星の起源を示唆している。
• 極めて還元的物質の熱力学的安定性は、高温で密度の高い原始惑星内部での形成を支持する。
• 岩石惑星は、高温でガス状の原始惑星の中心部からの液体凝縮および重力的沈降によって形成された可能性が高い。
• 太陽系ガスおよび揮発性成分の早期放出は、若き太陽の超発光的段階中に発生した可能性があり、水星が完全に形成される前であった可能性がある。
• 原始惑星段階における地球型惑星の質量分布は、現在の地球型惑星の質量分布よりも、系外惑星系における近軌道ガス惑星の質量分布とより整合的である。
• 酸化物質の二次的集積は、粒子成長蓄積によって発生し、ウェザーイルのモデルと整合的であり、外層部の組成を説明できる。