なぜ地球型惑星と木星型惑星に違いができたのか？

Question

太陽系の惑星は地球型惑星と木星型惑星に大別される。そしてこれらはその大きさや構成物質等に違いが見られるが、なぜこのような違いができたのだろうか？ ということを教えて下さい。。

90george · Accepted Answer

簡単にいうと太陽からの距離による違いです。
水星、金星、地球、火星は太陽からの距離が近く、従って温度が相対的に高くなります。温度が高くなると気体の運動量も大きくなり、惑星の重力では水素、ヘリウムなどの軽い気体をつなぎ止めておけず、これらの惑星にはほとんど残らない状態となり、結果として比較的重い原子で構成される事になります。こうして地球型惑星が形成されます。
一方、木星、土星、天王星、海王星は太陽からの距離が遠く、温度も当然低くなります。従って気体の運動量も小さく、惑星の重力で軽い元素を充分に引き止めておけるようになります。そして引き止めておくだけでなく、その重力によって周りの空間にある物質も引きつけ、取り込んでいくことにより大きく成長していくことになります。ということで比較的軽い物質からなる巨大な惑星ができあがることになります。これが木星型惑星です。
惑星にはもう一つ、冥王星がありますが、これはあまりに遠く且つ探査機もまだ到達していないので詳しいことはわかっていませんが、どちらの型にもあてはまらないものと考えられています。木星や土星の衛星のような氷状物質でできているというのが一般的な説です。したがって、元来は惑星ではなく海王星の衛星であったのではないかという説や、超巨大な彗星だという説があります。

noname#1499 · Answer

太陽系の形成過程でもっともらしいと思われているのは、塵の沈殿です。
コップに水を入れて泥、砂、小石などを入れてかき混ぜると、重たいものが先に沈降していって軽いものは上の方に沈降するようになります。太陽系の場合も同じで、重いものは先に現在の公転面に沈降し衝突合体によって微惑星ができます。軽い物質であるガス（水素など）は太陽風の圧によって外側へはけられて希薄になるので内側の微惑星では沈降するまでに至りません（地球型惑星）が、太陽から遠くなるほど圧力は距離の二乗で弱くなるので、外側へ行くほど溜まります。そういったガスが沈降してできたのが木星型惑星で、ガスを集積するほど重力が増すので大きくなります（木星・土星）。しかし、あまりに外側へ行き過ぎるとガス自体の濃度が公転面上で下がるので木星型惑星の大きさはあまり大きくなりません（天王星・海王星）。

地球型惑星は原始惑星が重力エネルギーを開放していく過程で地表面温度が非常に高温になり、隕石の中に含まれていた水素・水・二酸化炭素などの物質が蒸発することによって大気が出来ました。金星では太陽に比較的近いため水素が太陽光によって水素が宇宙空間に逃げ水が残らず暴走温室効果を起こして現在のような灼熱の惑星になっています。地球は適度に温室効果（二酸化炭素・水蒸気など）をおこし、かつ生物により酸素の多い珍しい大気になりました。火星は同様に温室効果を起こしましたが惑星の質量が小さいため重力が弱く大気を地表にひきつけられなくなり現在のような超希薄大気になりました。

木星型惑星の大気の大半は水素で次に多いのはヘリウム、メタンなど。各惑星の色が違うのは大気中に局所的に存在する物質（リンを含むものなど）による為だと考えられますが、なぜそのような局所的な分布をするのかはまだ分かっていません。

しかし、このモデルは太陽系の形成自体に関しては成功していますが、一般的な惑星形成過程なのかどうかは本当のところよく分かっていません。最近では太陽系外の惑星系をもつ恒星が多く見つかってきていますが、その大半が恒星に非常に近い距離（おおよそ水星から地球程度にかけての距離）に木星型惑星（巨大ガス惑星）が１個か２個あることが分かっています。これは今までの標準的な惑星系形成過程の理論が間違っているのか、それとも既存の理論の枠内で説明できるのか（例えば形成後の惑星の軌道が変化することで説明する）、と大きく分かれるところでもあります。

starflora · Answer

ちょっと不確実なので、自信なしにしますが、地球という惑星の起源については、小隕石多数衝突説が、現在の定説ではないでしょうか。地球は、ガス雲が集中してやがて凝縮して惑星になったのではなく、大体地球の軌道当たりあった多数の小隕石が衝突し、段々大きくなって、最終的にかなりな大きさの天体になった地球に更に残りの小隕石が落下して来て、最初の地球の状態は、衝突の熱で高熱状態で、表面は溶け、灼熱の惑星だったはずです。それから内部から気体が外部に出てきて、原始大気を造り、しかし、それは雨となって地上に降り注ぎ、地上の温度を下げたはずです。こういう初期の生成状態では、最初から、メタンやアンモニアや水素などは、地球表面には、存在できず、先カンブリア代や古生代の大気は、その後、大地から徐々に取り込まれていた気体が出てきて、形成された大気のはずです。地球は、木星や土星のような、メタン・水素などで表面を覆われたタイプの惑星だった時期は一度もないはずだということです。
　
　　火星、金星、水星なども、おそらく同じようにして造られたのでしょう。それに対し、少なくとも木星と土星は、小隕石衝突過程ではなく、元々のガス雲が凝縮して構成されたのではないかと思います。無論、小隕石の多数の衝突もあったでしょうが、表面が溶融するような高熱状態で惑星が出発したとは思えません。大洋からの距離があることは、熱放射も少ないですが、また引力も小さいことを意味し、原始太陽系において、ガス凝縮で惑星が構成できる条件があったのだと言えます。その場合、元々の星間ガスの成分を多く含んだ組成の惑星ができたのでしょう。壊れたか、または形成が失敗した第五惑星は、小隕石衝突過程と、ガス雲凝縮と両方の過程で惑星形成しようとして、どちらも失敗したのではないでしょうか。天王星・海王星の場合も、太陽の引力が小さく、惑星生成は、ガス雲の凝縮という過程であったと思えます。
　
　　惑星が構成された後は、木星や土星が、もし金星ぐらいの軌道であれば、無論、熱で、現在の大気表面は維持できなかったでしょうが、地球や火星、金星には、最初からああいうガス大気がなかった可能性が、小隕石衝突という生成過程からは考えられます。

なぜ地球型惑星と木星型惑星に違いができたのか？

簡単にいうと太陽からの距離による違いです。

太陽系の形成過程でもっともらしいと思われているのは、塵の沈殿です。

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