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地球のような岩石惑星は、小さな天体がぶつかっては合体することを繰り返して大きくなりました。その仕上げの段階で起きるのが「巨大衝突」です。惑星が生まれたガスと塵の円盤が消えたあと、同じくらい大きく育った別の原始惑星が正面からぶつかってくる。月を作ったとされる衝突もその一つです。
この衝突は、生まれたばかりの惑星がまとっていた水素とヘリウムの原始大気にとって、災厄だと考えられてきました。衝突の莫大なエネルギーが惑星の表面を熱し、軽い気体を宇宙へ逃がしてしまうからです。上海交通大学の Darius Modirrousta-Galian とイェール大学の Jun Korenaga が2026年10月26日の Nature Astronomy に出した論文は、この見方をひっくり返します。巨大衝突はむしろ、大気を「残す」方向に働くというのです。
熱と質量、2つの効果を同時に数える
巨大衝突が大気に与える効果は、実は2つあります。一つは熱です。衝突のエネルギーでマントルが温まり、その熱が表面から大気を温めて、気体が重力を振り切って逃げやすくなります。もう一つは質量です。ぶつかってきた天体の質量はそのまま惑星に加わるので、惑星の重力は強くなり、大気を引き留める力（重力による束縛エネルギー）が増えます。熱は大気を逃がす側に、質量は大気を残す側に働く。どちらが勝つかは、この2つをどう見積もるかで決まります。
従来の多くの計算は熱の側に重きを置いていました。2人は、惑星が円盤の消えたあとに受ける最大の巨大衝突について、その後の惑星の内部と大気の進化を、束縛エネルギーの増加とマントルの熱エネルギーの増加を同時に、つじつまが合う形で追うモデルを作りました。2人はこれまでも惑星の内部と大気がどう一緒に進化するかを研究してきており、今回はその積み重ねの上にあります。
質量は全部効くが、熱は一部しか効かない
結果は、2つの効果の「効き方」の違いにありました。加わった質量は、そのすべてが束縛エネルギーの増加に寄与します。一方、衝突のエネルギーのうち、マントルの温度を上げる分は一部にとどまります。理由は2つあります。
一つ目は、マントルが溶けることです。岩石が溶けるときには潜熱としてエネルギーが吸われます。氷が溶けている間は温度が上がらないのと同じで、衝突のエネルギーのかなりの部分は、マントルを熱くするのではなく、溶かすことに使われてしまいます。
二つ目は、衝突してきた天体の金属の核です。原始惑星にも鉄の核があり、衝突のあとそれは惑星の中心へ沈んでいきます。このときまわりのマントルにはほとんど熱を渡さず、深いところで過熱したままになります。核が持ち込んだ熱は、大気に届く前に惑星の奥へしまい込まれてしまうわけです。Universe Today の記事が引くように、衝突の熱の一部は惑星の深部へ運ばれ、大気を逃がす役には立ちません。
こうして、巨大衝突は束縛エネルギーをマントルの熱エネルギーより大きく増やすことになり、惑星は大気を保つ側へ傾きます。Korenaga は、巨大衝突は岩石惑星が育つ過程の要で、質量を足し、同時に莫大な熱を放つが、大気への効果はこの2つの変化がどう組み合わさるかで決まる、と説明しています。
スーパーアースとサブネプチューンの分かれ道
この結論は、太陽系の外で見つかる惑星の分布にそのままつながります。系外惑星でいちばん多く見つかるのは、太陽系には無い2種類の惑星です。地球より大きい岩石惑星「スーパーアース」と、それより少し大きく、厚い水素の大気をまとった「サブネプチューン」。どちらも岩石の核から始まったのに、大気の有無でまったく違う姿になった、と考えられてきました。水素とヘリウムの大気は、元の数パーセントでも残っていれば惑星の半径を大きく膨らませます。
論文のモデルでは、大きな衝突を経た惑星ほど質量を増やし、その重力で原始大気を保ちやすくなります。大気を持つ大きな惑星は、衝突による成長を通じて優先的に生まれるということです。一方、そうした衝突を経なかった小さな惑星は、恒星の光に長く照らされるうちに原始大気を失い、裸の岩石惑星になります。集団として見ると、サブネプチューンはスーパーアースより平均して重い岩石の内部を持っているはずだ、というのが論文の予測です。
Modirrousta-Galian は Universe Today に、なぜ自然がこの2種類をこれほど大量に作るのかは系外惑星科学の根本的な謎で、その説明を探しに出たのだと話しています。
地球の大気の生い立ちにも
地球自身も、月を作った巨大衝突を含めて、いくつもの大きな衝突を経ています。地球の今の大気は原始大気そのものではなく、あとから火山活動や彗星・小惑星がもたらしたものが主ですが、形成の最終段階で原始大気がどれだけ残ったかは、その後の水や炭素の収支に効いてきます。巨大衝突が大気を一掃するのではなく残す側に働くなら、若い地球が水素に富む大気をいくらか抱えたまま冷えていった、という筋書きが考えやすくなります。
この研究はモデル計算で、衝突の角度や速度、天体の組成によって結果は変わりうるものです。それでも、「衝突は質量を足す」という当たり前の事実を、熱の見積もりと同じ重さで数え直しただけで、長く信じられてきた「巨大衝突は大気の終わり」という像が逆向きになった。大きなぶつかり合いは、惑星から空を奪うのではなく、空を持てる惑星を選び出していたのかもしれません。
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出典
- Modirrousta-Galian, D., Korenaga, J. (2026) “Retention of primordial atmospheres through giant impacts” Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-026-03006-1（プレプリント：arXiv:2610.36446）
- Universe Today “Giant Impacts Help Rocky Planets Retain Their Atmospheres”（2026年11月4日、Evan Gough）https://www.universetoday.com/articles/giant-impacts-help-rocky-planets-retain-their-atmospheres
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