[論文レビュー] Origin and Dynamical Evolution of Comets and their Reservoirs

Alessandro Morbidelli|ArXiv.org|Dec 9, 2005

Astro and Planetary Science参考文献 159被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、原始太陽系の構造、特に巨大惑星の移動に伴うオールト雲とコイパーベルトの形成を焦点に、ハワイアム・コメットの起源と進化を結びつける動的モデルを提示する。ラテ・ハビー・ボンバーディング（LHB）は、巨大惑星不安定性段階における小惑星帯の重力的散乱に起因し、惑星の軌道とディスク質量に関する重要な制約を提示しており、コメットのための貯留層の形成と太陽系初期の進化を統合する枠組みを提供する。

ABSTRACT

This text was originally written to accompany a series of lectures that I gave at the `35th Saas-Fee advanced course' in Switzerland and at the Institute for Astronomy of the University of Hawaii. It reviews my current understanding of the dynamics of comets and of the origin and primordial sculpting of their reservoirs. It starts discussing the structure of the Kuiper belt and the current dynamics of Kuiper belt objects, including scattered disk objects. Then it discusses the dynamical evolution of Jupiter family comets from the trans-Neptunian region, and of long period comets from the Oort cloud. The formation of the Oort cloud is then reviewed, as well as the primordial sculpting of the Kuiper belt. Finally, these issues are revisited in the light of a new model of giant planets evolution that has been developed to explain the origin of the late heavy bombardment of the terrestrial planets.

研究の動機と目的

• コメットおよびその貯留層（特にコイパーベルトとオールト雲）の動的起源と進化を理解すること。
• 海王星外天体集団の原始的形状の形成とオールト雲の形成に関する未解決の問いを解消すること。
• 巨大惑星の移動、ラテ・ハビー・ボンバーディング（LHB）、およびコメット貯留層の現在の軌道構造との関連を調査すること。
• コメットの軌道に関する観測的制約を、太陽系初期進化の理論的モデルと一致させること。
• 小惑星帯の動的力学、巨大惑星の移動、および降下歴史を統合した、太陽系の原始的進化を一貫して説明するシナリオを提示すること。

提案手法

• N体シミュレーションを用いて、巨大惑星の移動中における小惑星帯の重力的散乱をモデル化し、特にLHBを引き起こす原因となる巨大惑星不安定性段階に注目する。
• 海王星外天体（TNO）の観測された軌道要素分析を用いて、コイパーベルトおよび散乱ディスクの動的歴史を推定する。
• 特に「コールド」と「ホット」な集団を含む、コイパーベルトのサイズ分布と傾斜構造を統合し、形成モデルを検証する。
• 重力的散乱による小惑星の脱出と軌道進化の解析的および数値的モデルを用いて、オールト雲の形成を再構築する。
• ラテ・ハビー・ボンバーディング仮説を再検討し、地上惑星へのコメット衝突のタイミングとフラックスをモデル化することで、海王星外に存在する質量の大きな原始小惑星帯の不安定化と関連付ける。
• シミュレートされたコメット貯留層の構造を観測された軌道分布と比較し、移動に起因する形成シナリオの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のコイパーベルトおよび散乱ディスクの軌道構造を形作った主な動的過程は何か？
• RQ2 オールト雲はどのように形成されたのか？また、惑星の移動はその構築にどのような役割を果たしたか？
• RQ3 質量の大きな原始小惑星帯からの重力的散乱によって、ラテ・ハビー・ボンバーディングを説明できるか？
• RQ4 現在のコメット貯留層の構造は、巨大惑星の初期軌道配置にどのような制約を課えるか？
• RQ5 海王星外天体のサイズ分布と傾斜は、太陽系外縁部の形成歴史をどのように示唆するか？

主な発見

• コールド・クラスカル・コイパーベルトは、巨大惑星の移動段階における質量の大きな原始小惑星帯からの重力的トラップによって形成された可能性が高く、低傾斜軌道が保存されたものと考えられる。
• 散乱ディスクおよびホット・クラスカル・コイパーベルト集団は、ガスディスクの消失後に発生した巨大惑星の不安定性段階における重力的散乱によって最もよく説明できる。
• オールト雲は主に巨大惑星による重力的散乱によって形成され、その大部分のコメットは散乱ディスクおよび海王星外天体集団に由来する。
• ラテ・ハビー・ボンバーディング（LHB）は、外太陽系における6億年間の動的不安定性段階と一致しており、これは巨大惑星の移動と海王星外に存在する質量の大きな小惑星帯の存在によって引き起こされた。
• 現在の小惑星帯は、地上惑星形成とLHBとの間の6億年間の期間中に、10〜20倍の質量を持ち、動的に励まされていたと考えられ、衝突的進化が現在のサイズ分布を形作った。
• 巨大惑星は10〜15 AUの範囲内で形成され、顕著な径方向移動を経験した可能性が低い。これは、LHBを引き起こすために必要な外側の小惑星帯が破壊されるのを防ぐためである。