現在、月の形成に関して最も有力な説はジャイアント・インパクト説である。
およそ45億年前、太陽系がまだ初期形成期にあり、地球も若く溶融した惑星であった頃、地球と同じような組成を持つ火星サイズの天体「テイア」が地球に衝突した可能性が研究から明らかになっている。
地球とテイアの衝突はすさまじく、膨大なエネルギーが放出された。そして両方の天体のかなりの部分が蒸発し、後に月と呼ばれるようになる巨大な破片雲が形成されたと考えられている。これがジャイアント・インパクト説である。
今回、中国、アメリカ、イギリスの研究者が、テイアの塊が月の内部にあったという証拠を発見した。そして、テイアの塊が地球内部にも存在したことを示唆する証拠も発見された。
これが正しければ、ジャイアント・インパクト仮説は、ある大きな謎の解決策となるかも知れない。地球のマントルの奥深く、約2900キロ下に埋もれ、地球の核の周りを湾曲している、高密度で大陸サイズの謎の物質の塊が科学者らを長年悩ませてきたのだ。
地球マントルに発見された衝突の痕跡
地球のコアを取り囲む謎の塊は、LLSVP(Large low-shear-velocity provinces）として知られている。
科学者たちがLLSVPの詳細な地図を手に入れることができたのは、地震データによるものだ。地震によって地球を伝わる地震波が、物質によって異なる動きをするため、LLVPについて調べる事ができるのだ。LLSVPは、コアとマントルの境界にある大きな密集地帯で、ひとつはアフリカの地下、もうひとつは太平洋の地下にある。
科学者たちはこれまで、LLSVPは、古い地殻変動スラブの残骸、高温のスポット、マントルの底にあるマグマの海など、ある種の地球内部のプロセスによって生成されると提案してきた。
しかし、この最新の発見の背後にある研究チームは、LLSVPの形成に何か別のものが寄与しているのではないかと考えた。それが遙か昔、太陽系に存在していたと考えられる惑星テイアだ。
これまでのコンピュータシミュレーションによると、月はティアの構成物質を受け継いだ可能性が高く、逆に原始地球は質量がティアに比べてはるかに大きかったため、ティアの物質はわずかしか受け継いでいないことが示された。だが本当にそうだろうか？研究者らは数年前から、大量のテイアが地球内部に取り込まれた可能性を調査してきた。
中国科学院上海天文台（SHAO）のDeng Hongping教授は2017年から月形成に関する研究を開始した。彼は、乱流と物質混合を正確にモデル化することに優れたメッシュレス有限質量（MFM）と呼ばれる新しい数値流体力学手法の開発に注力した。数値流体力学的手法とは、数学的モデルとコンピューター・シミュレーションを用いて流体（この場合は地球深部の物質）の挙動をシミュレートするための技術である。
この手法を使って、彼はジャイアント・インパクト説のコンピュータ・シミュレーションを行った。彼は、衝突後、地球の内部には異なる層があることを発見した。マントルと呼ばれる上部は、地球と衝突した物体の両方の物質が混ざり合ったため、溶けた岩石の大きな海になった。マントルの下部は固体のままで、ほとんど元の地球の物質を保っていた。
中国科学院上海天文台（SHAO）のDeng Hongping教授は、「これまでの研究は、月の前身であるデブリディスク（残骸円盤）の構造に重点を置きすぎており、巨大衝突が初期の地球に与えた影響を見落としていました」と語っている。
Deng教授と彼のチームは、スイスの専門家に話を聞き、月が形成された後の地球のマントルの分離の仕方が、現在でも同じかもしれないことを発見した。この分離は、地表から約1000km下の地球マントル深部で、特定の地震信号として現れている。
彼らは、マントルの下部は主に月が形成される前にあったものでできていて、上部とは異なり、特にケイ素が多いと見ている。この考えは、Deng教授の以前の研究に基づいている。
太陽系外惑星の形成を理解する
「我々の発見は、ジャイアント・インパクトによって初期の地球が均質化されたという伝統的な考え方を覆すものです。その代わりに、月形成のジャイアント・インパクトは、初期のマントルの不均質性の起源であり、45億年にわたる地球の地質学的進化の出発点であるようです」と、Deng氏は述べている。
Deng博士は、カリフォルニア工科大学のYuan Qian博士とともに、LLSVPはガイアの下部マントルに入った少量のティア由来の物質から進化した可能性があると考え、過去の巨大衝突シミュレーションの詳細な分析と、より精度の高い新しいシミュレーションを実施した。これにより、地球質量の約2パーセントに相当する大量のティアマントル物質が、原始地球の下部マントルに入り込んだことを発見した。
この物質は、月の岩石と同様、鉄分を多く含み、地球の物質よりも重い。そのため、マントルの底に沈み込み、地球のマントルの奥深くにLLSVPが形成されたと考えられる。
LLSVPは、密度が高いため、地球の核とマントルの境界の上に45億年間留まることができるだろうと考えられている。
Deng教授は、今回の研究が果たす役割はさらに広いと見ている。「この研究は、太陽系外の太陽系外惑星の形成とハビタビリティを理解するためのインスピレーションさえ与えてくれます」。
論文
参考文献
- EurekAlert!: Heterogeneity of Earth’s mantle may be relics of Moon formation
- Reuters: Relics of huge primordial collision reside in Earth’s deep interior
研究の要旨
地球内部の地震探査画像から、最下部のマントルには、LLSVP(Large low-shear-velocity provinces)として知られる、地震波速度が低い2つの大陸規模の異常が見つかっている。LLSVPはしばしば、周囲のマントルとは組成的に異なる本質的に高密度な不均質領域と解釈されている。ここでは、LLSVPが月形成のジャイアント・インパクト後に原始地球のマントルに保存されたテイア・マントル物質（TMM）の埋もれた遺物である可能性を示す。我々の典型的な巨大衝突シミュレーションは、テイアのマントルの一部が原始地球の固体下部マントルに運ばれた可能性を示している。我々は、テイアのマントルのモデルと、観測された月の高いFeO含有量から、TMMは原始地球のマントルよりも本質的に2.0-3.5%密度が高いことを発見した。我々のマントル対流モデルは、衝突後数十キロメートルの大きさの高密度のTMMブロブが、後に地球のコアの上にLLSVPのような熱化学的な山となって沈み、蓄積し、現在まで生き残ることを示している。したがって、LLSVPは月形成の巨大衝突の自然な結果である可能性がある。巨大衝突は惑星降着の最終段階でよく見られる現象であるため、衝突によって引き起こされる同様のマントル不均質性は、他の惑星天体の内部にも存在する可能性がある。
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