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SCIENTIFIC AMERICAN May 2008

The Genesis of Planets

系外惑星が語る惑星系の起源

By Douglas N. C. Lin D. N. C. リン
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Although they are, in cosmic terms, mere scraps―insignificant to the grand narrative of heavenly expansion―planets are the most diverse and intricate class of object in the universe. No other celestial bodies support such a complex interplay of astronomical, geologic, and chemical and biological processes. No other places in the cosmos could support life as we know it. The worlds of our solar system come in a tremendous variety, and even they hardly prepared us for the discoveries of the past decade, during which astronomers have found more than 200 planets. 膨張を続ける宇宙の壮大な物語の中では,惑星はほとんど意味をなさない微小なごみのような存在だが,一方で宇宙において最も多種多様で複雑な種ともいえる。宇宙の中でこれほど天文学的に,また地質学的に,あるいは化学的に,そして生物学的に変化に富む複雑なプロセスを引き起こしている天体は他に見あたらない。
 もちろん私たちが知るかぎり,宇宙には他に生命を維持できるところはまだ見つかっていない。私たちの太陽系の天体は非常にバラエティーに富んでいる。しかし,過去の10年間の発見によって明らかになった天体の多様性は,その太陽系に比べても予想をはるかに超えるものだった。天文学者はここ10年間に,200個以上の太陽系外の惑星(系外惑星)を見つけている。
The sheer diversity of these bodies' masses, sizes, compositions and orbits challenges those of us trying to fathom their origins. When I was in graduate school in the 1970s, we tended to think of planet formation as a well-ordered, deterministic process―an assembly line that turns amorphous disks of gas and dust into copies of our solar system. Now we are realizing that the process is chaotic, with distinct outcomes for each system. The worlds that emerge are the survivors of a hurly-burly of competing mechanisms of creation and destruction. Many are blasted apart, fed into the fires of their system’s newborn star or ejected into interstellar space. Our own Earth may have long-lost siblings that wander through the lightless void. これらの天体の質量や大きさ,成分,軌道の驚くべき多様性が,それらの起源を探ろうとする私たちの前に立ちはだかる。1970年代,私が大学院生の頃,私たちは惑星形成というものを秩序立った,決定論的なプロセスと考えていた。つまり,無秩序なガスと塵の円盤から,われわれの太陽系のようなものが生まれてくるのが自然だと考えていたのだ。
 ところが実は,このプロセスは混沌としていて,それぞれの惑星系ごとに結果が全く異なるものだった。現出する世界は,実は創造と破壊とが競い合いながら繰り広げられた大騒動の生き残りからなる。多くの天体は破壊されてバラバラになるか,あるいはその惑星系の中心に誕生した恒星の炎の中で焼き尽くされるか,または星間空間へと放出された。私たちの地球にもかつて失われた兄弟がいて,今頃は光の届かない虚空の空間を放浪しているのかもしれない。
The study of planet formation lies at the intersection of astrophysics, planetary science, statistical mechanics and nonlinear dynamics. Broadly speaking, planetary scientists have developed two leading theories. The sequential-accretion scenario holds that tiny grains of dust clump together to create solid nuggets of rock, which either draw in huge amounts of gas, becoming gas giants such as Jupiter, or do not, becoming rocky planets such as Earth. The main drawback of this scenario is that it is a slow process and that gas may disperse before it can run to completion. 惑星形成の研究は天体物理学,惑星科学,統計力学および非線形力学の交差点に位置している。大まかにいえば惑星科学者は2つの主要な理論を作り上げた。ひとつは連続的な集積シナリオだ。小さな塵の粒が合体成長し,岩石の塊となる。それが多量のガスを集めれば木星など巨大ガス惑星となり,ガス集積が起こらなければ,地球などの岩の多い惑星になる。このシナリオの大きな欠点は,惑星ができあがるまでに時間がかかるため,その前にガスが散逸してしまう可能性があることだ。
The alternative, gravitational-instability scenario holds that gas giants take shape in an abrupt whoosh as the prenatal disk of gas and dust breaks up―a process that replicates, in miniature, the formation of stars. This hypothesis remains contentious because it assumes the existence of highly unstable conditions, which may not be attainable. Moreover, astronomers have found that the heaviest planets and the lightest stars are separated by a "desert"―a scarcity of intermediate bodies. The disjunction implies that planets are not simply little stars but have an entirely different origin. もうひとつの理論は重力不安定性シナリオだ。ガスと塵の原始惑星円盤の誕生期に,その重力不安定性によって巨大ガス惑星が急速に生まれてくるというもので,そのプロセスはまるで規模を小さくした恒星の誕生のようだ。この仮説は物理的に持続できないような非常に不安定な状態の存在を必要としているので,議論の余地がある。その上,最も重い惑星と軽い恒星との中間にあたるような天体が存在しない。この「空白」があるということは,惑星が単なる小さな恒星ではないこと,そして恒星とは異なる起源を持つことを示している。
Although researchers have not settled this controversy, most consider the sequential-accretion scenario the most plausible of the two. I will focus on it here. 2つの説のうちどちらが正しいかはまだ決着がついていないが,大部分の研究者は,2つのうち最初の連続的な集積シナリオが最も確からしいのではないかと考えている。ここではこのシナリオに従って紹介していく。