太陽系の果て、海王星よりはるか遠くのカイパーベルトに、雪だるまそっくりの天体が大量に浮かんでいる。2019年にNASAの探査機ニューホライズンズが撮影したアロコスもその一つ。全長36キロメートル、大小2つの球体がくっついた姿は「宇宙の雪だるま」そのものだった。なぜこんな形が宇宙で頻繁に生まれるのか。長年の謎に、新しい答えが見えてきた。
「ゆっくり衝突」が雪だるまを作る
ゆっくりとした衝突が鍵
アメリカのサウスウェスト研究所の研究チームは、コンピューターシミュレーションを使ってこの謎に挑んだ。彼らが注目したのは、天体同士が衝突する際の速度だ。
地球上の物体がぶつかる場合、通常は高速で激しい衝突が起こり、粉々になるか跳ね返る。しかし、太陽系外縁部では事情が違う。天体同士が非常にゆっくりとした速度でぶつかるのだ。
研究チームのシミュレーションによると、時速わずか数キロメートルという超低速で衝突した場合、2つの天体は砕けることなく、そのままくっついてしまうことが判明した。これは人が歩く速度よりもやや速い程度でしかない。
重力が弱い場所だからこそ
なぜこんなにゆっくりぶつかるのか? それは太陽からの距離が関係している。太陽系外縁部では、太陽の重力の影響が非常に弱い。そのため、天体が軌道を回る速度も遅くなる。
また、この領域の天体自体も小さく、それぞれの重力も弱い。地球のような大きな惑星なら、接近する物体を強い重力で引き寄せて高速衝突させてしまうが、カイパーベルトの小さな天体にはそれができない。
その結果、まるで2つの氷の塊がそっと触れ合うように、天体同士が静かにくっつくのだ。
氷の性質が接着剤になる
さらに重要なのが、これらの天体の表面組成だ。カイパーベルトの天体は、大部分が氷でできている。水の氷だけでなく、メタンやアンモニアの氷も含まれている。
研究チームの実験では、こうした氷の表面同士が低速で接触すると、分子レベルで結合しやすいことが分かった。氷の表面には微細な凹凸があり、それが噛み合うことで強固に固定される。
シルミーゆっくりぶつかるから壊れずにくっつくんだ! 子供が雪玉を転がして雪だるまを作るのと似てるね
これは冬の寒い日に、濡れた手で鉄の棒を触ると凍りついてしまうのと似た現象だ。ただし宇宙空間では、もっとゆっくりとした時間スケールで起こる。
雪だるまの先にある多様な形
三段重ねの雪だるまも存在
今回の研究で面白いのは、2つ以上の天体がくっついたケースもシミュレーションされた点だ。最初に2つの天体がくっついて雪だるまになり、そこにさらに別の天体が衝突すると、三段重ねの雪だるまのような形になる。
実際、小惑星クレオパトラは3つの塊がつながったような形をしていることが観測されている。全長約270キロメートルのこの天体は、まるで犬の骨のような奇妙な形だ。
完全に合体した天体もある
一方で、くっついた後に長い時間が経つと、2つの塊の境界が徐々になめらかになっていくことも分かってきた。表面の物質が少しずつ移動し、最終的には楕円形の単一天体になる。
これは、冥王星の衛星カロンの形成過程を説明する手がかりにもなる。カロンは冥王星に対して異常に大きな衛星で、2つの天体が衝突した後に形成された可能性が指摘されている。
地球の月も元は衝突で生まれた
実は、天体同士の衝突で新しい天体が生まれるというのは、太陽系全体で普遍的な現象だ。私たちの月も、約45億年前に火星サイズの天体が地球に衝突し、その破片が集まってできたと考えられている。
ただし月の場合は高速衝突だったため、大量の破片が飛び散り、それが徐々に集まって球形になった。カイパーベルトの雪だるまとは、まったく違うプロセスだ。
46億年前のタイムカプセル
太陽系の歴史を読み解く手がかり
なぜ科学者たちは、こんな遠くの小さな天体の形にこだわるのか? それは、太陽系誕生の謎を解く重要な手がかりになるからだ。
カイパーベルトの天体は、約46億年前に太陽系が誕生した当時の状態をほぼそのまま保っている。地球のような内側の惑星は、長い年月の間に火山活動や大気の影響で表面が大きく変化してしまった。
しかしカイパーベルトの天体は、太陽から遠く離れているため、ほとんど変化していない。まるでタイムカプセルのように、太陽系誕生当時の情報を保存しているのだ。
惑星形成理論の見直し
今回の研究は、惑星がどのように成長するかという理論にも影響を与える。従来の理論では、小さな天体がランダムに衝突を繰り返して、徐々に大きな惑星に成長すると考えられていた。
しかし、衝突速度によって結果が大きく変わることが分かったことで、惑星の成長速度を再計算する必要が出てきた。特に、太陽から遠い場所では、従来の予測よりも惑星の成長に時間がかかる可能性がある。
他の恒星系にも応用できる
この発見は、太陽系だけでなく、他の恒星系の惑星形成にも応用できる。近年、地球以外の恒星を回る惑星（系外惑星）が数千個も発見されている。
それらの惑星がどのように形成されたのかを理解するために、太陽系の天体衝突のメカニズムは重要なモデルケースになる。特に、恒星から遠く離れた場所にある惑星の形成過程を考える際に、今回の研究が役立つだろう。
研究チームは今後、さらに詳細なシミュレーションを行い、衝突角度や天体の自転が形に与える影響も調べる予定だ。また、NASAは将来的にカイパーベルトへの新たな探査ミッションを計画しており、実際の天体を詳しく観測できる日が来るかもしれない。
太陽系の果てで静かに浮かぶ雪だるまたちは、46億年前の太陽系誕生の記憶をそのまま保存したタイムカプセルだ。その形が語る物語は、まだ読み解かれ始めたばかりだ。
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