Solar system

Japanese: 太陽系 - たいようけい（英語表記）solar system

Solar System Bodies

Our solar system is centered on the Sun, and is made up of a variety of hierarchical celestial bodies (particles), including planets, moons, asteroids, comets, meteorites, and even solid particles, all of which move within the Sun's gravitational field. The Sun accounts for 99.87% of the total mass of the solar system, with planets making up the remaining 0.13%. The next most massive objects are comets, estimated to be about 1/300,000 of the total. The combined mass of moons and asteroids is less than 1/3 million of the total. Meanwhile, most of the angular momentum of the solar system is carried by giant planets such as Jupiter and Saturn, and the Sun's rotational angular momentum is only about 0.5% of the total.

The solar system is made up of eight planets: Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune. The six planets closest to the sun are bright and have been known since ancient times, but in 1778 a new planet was discovered by F. W. Herschel, who later named it Uranus. Neptune was discovered by J. G. Galle in 1846. Pluto, discovered by C. W. Tombaugh in 1930, had been recognized as a planet since its discovery, but at the General Assembly of the International Astronomical Union (IAU) held in August 2006, it was decided that Pluto would not be considered a planet, but would be classified as a dwarf planet, which is smaller than a planet, because of its extremely small mass (about 1/430 of the Earth) and the existence of many small celestial bodies beyond the orbit of Neptune.

Planets are divided into two groups based on their composition and internal structure. The four closest to the Sun, Mercury, Venus, Earth, and Mars, all have masses less than the mass of the Earth and an average density greater than about 4 grams per cubic centimeter, and are called terrestrial planets. These planets have a core made up mainly of iron at their center, surrounded by a rocky (mantle) material.

On the other hand, the four planets Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune are called Jovian planets, and have a mass between 318 and 15 times that of the Earth, but an average density of less than 2 grams per cubic centimeter. Jovian planets have a central core made of metal, stony material, and icy material surrounded by a large amount of gaseous components (hydrogen and helium). This is the reason for the large size of Jovian planets and their low average density. The gaseous components of Jovian planets decrease the farther they are from the Sun, but the size of their central cores is estimated to be about the same. In addition, the interiors of Jupiter and Saturn are under ultra-high pressure, so it is thought that hydrogen is in a metallic state deep inside.

Planets beyond Earth have moons. As of the end of 2006, there are 121 officially recognized moons in the solar system. In addition, Jupiter, Saturn, and Neptune have many small moons that have been discovered by space probes and astronomical observations, but have not yet had their orbital elements confirmed. If these are included, the total number exceeds 160. Most moons revolve in the same direction as the parent planet's rotation. These are called prograde moons. Some moons revolve in the opposite direction to the parent planet's rotation and are called retrograde moons. Moons vary in size, with Jupiter's four major moons, Neptune's Triton, and Earth's Moon being the largest, comparable in size to Mercury. In addition, the two moons of Mars and some moons of Jupiter and Saturn are very small, measuring only a few kilometers in diameter. Most retrograde moons are small like this. The Moon and the moons of Mars are made up of stony and metallic materials, but the main components of the moons beyond Jupiter are thought to be water, ammonia, methane and other ices.

All of the Jovian planets have rings. Saturn's rings were discovered by C. Huygens in 1655, and rings were thought to be unique to Saturn, but in 1977, Uranus' rings were discovered, and in 1979, the planetary probes Voyager 1 and 2 confirmed Jupiter's rings. Furthermore, in 1983, something resembling a ring was observed from the ground around Neptune, and its existence was confirmed by Voyager 2 in 1989. As of 1998, Jupiter has one ring, Saturn has seven rings, Uranus has eleven rings, and Neptune has four rings. All of the rings are located within the equatorial plane of the parent planet, and the majority of them are within the Roche limit. The rings are very thin, less than 2 to 3 kilometers thick, and are estimated to be made up of countless ice chunks less than a few centimeters in size.

Asteroids are small celestial bodies with a diameter of less than 1000 km that orbit the Sun. Most of them are located between the orbits of Mars and Jupiter, and are concentrated in a belt of 2.1 to 3.3 astronomical units (the asteroid belt). As of June 2006, there are about 130,000 asteroids with confirmed orbital elements and assigned registration numbers, and the total number is estimated to be 1 million. The largest asteroid, Ceres, is only about 1000 km in diameter. Asteroids are divided into several families based on the characteristics of their orbital motion. Recently, they have been divided into 4 to 5 groups based on the characteristics of their surface reflectivity, and it is known that their reflectivity is similar to that of certain meteorites. There are a few asteroids that are significantly outside the asteroid belt. These are called peculiar asteroids. The Apollo group asteroids, which are thought to be one of the sources of meteorites and come very close to Earth, and the small celestial body Chiron, which lies between Jupiter and Saturn, are classified as such.

Since the first small object orbiting outside Pluto was discovered in 1992, approximately 41,200 small objects beyond Neptune have been known as of April 2007. These objects are called Kuiper Belt Objects (or Edgeworth-Kuiper Belt Objects). Most of them have semi-major axes of 35 to 60 astronomical units, but some have semi-major axes of over 100 astronomical units. Theoretical analysis has also shown that the orbits of these small objects (semi-major axis, eccentricity, and inclination) are strongly influenced by the gravitational force of Neptune. Kuiper Belt Objects vary in size, from small objects with radii of about 10 kilometers to objects with radii of 1,000 kilometers, which is comparable to Pluto.

The main body of a comet, which appears occasionally near the Sun with a gorgeous tail, is called the nucleus, and is thought to be an ice mass with a diameter of about several kilometers and mixed with fine stone and metal particles. When it enters inside the orbit of Jupiter, it is heated by sunlight, and the volatile components from the nucleus evaporate and ionize, causing it to shine brightly, and the evaporated material is blown away by the solar wind to form a huge tail (called the "ion tail"). At the same time, the fine particles mixed in the ice mass are also ejected as the volatile components evaporate, forming a "fine particle tail". This picture of a comet had been predicted theoretically, and detailed observations by various countries' comet probes to Comet Harry in 1986 confirmed this prediction. Comets generally have a large eccentricity and inclination in their orbital plane, and are distributed spherically with respect to the Sun. This contrasts with the planets, which are mostly concentrated in the ecliptic plane.

Meteorites, along with lunar rocks, are one of the few extraterrestrial materials that we have access to. Meteorites are classified into several groups based on their chemical composition and degree of alteration. Among them, meteorites called carbonaceous chondrites are rich in volatile components such as water, and with the exception of some particularly volatile elements such as hydrogen, helium, and noble gases, their elemental composition matches that of the solar atmosphere well. Therefore, they are used as the basis for estimating the elemental composition of the solar system, along with the solar atmosphere.

There are countless small particles measuring centimeters to micrometers in size near the ecliptic plane. These reflect sunlight and are observed as zodiacal light. When the Earth enters an area with a particularly high particle density, the particles that enter the Earth's atmosphere are observed as meteors or meteor showers. In addition, in the solar system space, there is solar wind plasma blown out from the solar corona and the solar magnetic field that is dragged along by it.

[Kiyoshi Nakazawa]

Planetary Motion

All planets revolve around the Sun in elliptical orbits (Kepler's first law). The time required for one revolution is proportional to the power of 2/3 of the semi-major axis of the orbit, which is known as Kepler's third law. Mercury revolves around the Sun once in 88 days, while the Earth takes one year, Jupiter takes about 12 years, and Neptune takes a whopping 165 years. The eccentricity and inclination of the orbits of all planets are small except for Mercury. In other words, all planets revolve around the Sun in nearly circular orbits, on almost the same plane, in the same direction as the Sun's rotation. If the planets were moving only due to the gravitational force of the Sun, the orbital elements would remain constant. However, the planets exert a weak gravitational force on each other, which causes the eccentricity and inclination of the orbital plane to fluctuate. However, the range of fluctuation is small, which guarantees the stability of the solar system, which means that there are no collisions between planets or large-scale scattering (planets being thrown off by other planets) (Arnold's theorem). For the planets inside Uranus, the mean orbital distance from the Sun is approximated by the Titius-Bode law, which means that the planets are arranged in approximately geometric progression.

Most planets rotate in the same direction as their orbital motion, with their axes almost perpendicular to the orbital plane. However, Venus has a longer rotation period and rotates in the opposite direction (retrograde). Uranus' axis is tilted about 90 degrees, so it rotates on its side.

Kepler's laws for planetary motion are valid because of Newton's law of universal gravitation, which states that the gravitational force of the sun is inversely proportional to the square of the distance from the sun. Historically speaking, the law of universal gravitation was derived from Kepler's laws, and the foundation of modern science was laid. In addition, the existence of Neptune was predicted from the difference between the observed position of Uranus and its position calculated from Newtonian mechanics, and it was discovered almost as predicted. This made Newtonian mechanics unshakable, and it can be said that planetary motion gave birth to modern science.

[Kiyoshi Nakazawa]

Planetary Science Exploration

Until the 1960s, observations of celestial bodies in the solar system were conducted mainly using astronomical methods such as telescope observations. Since the 1970s, "in-situ observations" using space probes have been conducted, and knowledge of planets and moons has increased dramatically and become more precise.

Jovian planets have large amounts of gaseous matter, the main components being hydrogen and helium. The helium mass ratio (the mass of helium in 1 gram of atmosphere) is approximately 0.27 for Jupiter, Uranus, and Neptune, almost equal to the value in the solar atmosphere. However, for Saturn, this ratio is small at 0.06. This is thought to be the result of immiscibility of hydrogen and helium in the physical environment inside Saturn, causing helium with a large atomic weight to settle deep inside.

The main component of the atmospheres of Venus and Mars is carbon dioxide. It is believed that the main component of the atmosphere of the early Earth was also carbon dioxide, and it is believed that the early atmospheres of all terrestrial planets were also carbon dioxide. However, because the mass and distance from the Sun of each planet are different, it is understood that each planet experienced its own unique atmospheric evolution, resulting in the current volume of its atmosphere and its main components being different for each planet.

Jupiter's strong magnetic field was known from research into Jupiter's radio waves, which were discovered in the 1950s, but planetary magnetic fields other than those of Earth and Jupiter were only discovered through planetary exploration. Mercury and Venus, which rotate very slowly, also have weak magnetic fields. Saturn's magnetic field is the second strongest after Jupiter, and magnetic fields of similar strength to Earth's have also been confirmed on Uranus and Neptune. Mars has a local magnetic field, but no global magnetic field has been observed. On most planets, the axis of rotation and the magnetic pole axis are roughly aligned, but on Uranus they are misaligned by 55 degrees. It is believed that the cause of planetary magnetic fields is the dynamo action of a highly conductive fluid, but it is speculated that the dynamo action is caused by a metallic fluid core composed mainly of iron in terrestrial planets, and by metallic hydrogen under high pressure in Jupiter and Saturn.

Planetary exploration has also revealed detailed information about the surface topography of terrestrial planets. Mercury, which has no atmosphere, is covered with craters of various sizes, just like the Moon, and like the Moon, it also shows "bipolarity of topography," with the surface and backside topography being very different. Venus has a variety of volcanic topography, including volcanic highlands and thin striped topography reminiscent of lava flows, but it does not have plate boundaries (large cracks in the surface) like Earth. In addition to volcanic topography, various topography indicating the past presence of water has been found on Mars, such as rivers and traces of major floods.

[Kiyoshi Nakazawa]

Age of the Solar System

The most probable age of the solar system can be obtained from isotope analysis of meteorites. Radioactive isotopes such as uranium, potassium, and rubidium decay at a constant rate regardless of the physical and chemical environment in which they are placed. Using this fact, the age of meteorites can be determined by analyzing radioisotopes and their product isotopes. Although a few meteorites are young, most are about 4.56 billion years old. Since no meteorites older than this have been found, it is believed that meteorites were formed during this period. On the other hand, most rocks on the Earth and Moon are quite young, with the oldest being 3.8 to 4 billion years old. However, lunar "soil" is about 4.56 billion years old, the same age as meteorites. The young age of lunar and terrestrial rocks is due to volcanic activity, and it would be reasonable to consider the age of the solar system to be 4.56 billion years.

On the other hand, theoretical research into stellar evolution has shown that if the age of the Sun itself is assumed to be 4.56 billion years, this does not contradict the current solar radius and solar luminosity, which means that all celestial bodies in the solar system, including the Sun, were created 4.56 billion years ago.

[Kiyoshi Nakazawa]

Extrasolar solar system

It has been known since the 1950s that Barnard's Star has a planet associated with it, but due to the remarkable progress in astronomical observation technology in recent years, high-precision planetary searches for planetary systems around stars have been actively conducted since the mid-1990s. As a result, by the end of 2006, about 200 exoplanets had been discovered. Many of these exoplanets are Jupiter-sized (10 to 1 times the mass of Jupiter) and have small semi-major axes (0.05 to 1 astronomical unit). This is nothing more than a reflection of the observational selection effect, in which planets with large masses and short orbital periods are more likely to be discovered. Recently, a small number of planets with masses several times that of the Earth have been discovered.

The orbital motion of exoplanets varies widely, and some exoplanets have been found that are quite different from our solar system, such as those with an unusually small orbital radius (0.05 astronomical units) or an unusually large orbital eccentricity (0.4 to 0.6). In addition, planets orbiting one of two stars in a binary system have also been found, and the diverse nature of the solar system is becoming clearer.

[Kiyoshi Nakazawa]

History of the origin of the solar system

Many theories have been put forward regarding the origin of the solar system. They can be broadly divided into two schools of thought. The first seeks a cause in chance events such as encounters or collisions between the sun and other celestial bodies, and includes the planetesimal theory, tidal theory, and binary star theory. The second posits that the solar system was formed during the birth and evolution of the sun, and includes the Kant-Laplace nebular theory, electromagnetic theory, and turbulence theory. Modern theories of formation, which will be discussed later, also belong to this category.

The formation of planets was first discussed in a book in 1745 in Buffon's "Origin of the Planets". Ten years later, I. Kant published the nebular theory. Kant's nebular theory was later revised and strengthened by Laplace, and today it is famous as the Kant-Laplace nebular theory. In 1844, Fouché presented the "angular momentum difficulty". His argument was that "98% of the angular momentum of the solar system is carried by planets with masses of less than 0.13%. Explaining this fact is the same as explaining the formation of planets." The nebular theory was unable to provide a clear answer to this problem, and was replaced by the encounter theory around 1900.

There are several variations on the encounter theory. The planetesimal theory proposed by T. C. Chamberlin and F. Moulton posits that when another star happened to pass close to the Sun, the tidal forces caused material to be ejected from the Sun's surface, which solidified into fine particles and accumulated to become planets. The tidal theory developed by J. Jeans and H. Jefferies posits that the material ejected in a similar manner became like a string, from which planets were born. The binary theory proposed by H. N. Russell and R. A. Littleton posits that the Sun was originally a binary star, but when another star passed by, the companion star flew away, and at that time, a phenomenon similar to that of the tidal theory occurred. These theories were once considered to be the most plausible, but in 1939 L. Spitzer decisively refuted them, stating that "material pulled from the high-temperature surface of the Sun cannot solidify and dissipates," and they have since been little considered.

After this, C. Weisäcker's turbulence theory and H. Alfven's electromagnetic theory were proposed. The turbulence theory posits that turbulent vortices occur in the gas orbiting the primordial sun, and that solid particles are collected between the vortices and grow into planets. The electromagnetic theory posits that the interaction between the plasma around the primordial sun and the solar magnetic field played an important role in the formation of planets. However, today, both of these theories have only historical significance.

Modern research into the origin of the solar system began in the 1970s by V. S. Safronov, Chushiro Hayashi and others, in an attempt to explain the characteristics of the solar system in a unified way by applying the laws of physics more strictly based on observations of protostars, theories of star formation, and observations of meteorites, the moon, planets, etc. Although some problems remain, the general outline of the origin of the solar system is gradually becoming clearer.

[Kiyoshi Nakazawa]

Formation of planetary systems

The Sun and other objects in the solar system originated from interstellar clouds floating in the Milky Way. Although they are called "clouds," they are extremely thin and cold, with a typical temperature of 20K and a density of about ^10-19 grams per cubic centimeter. They are mainly composed of hydrogen and helium gas, and the solid components that would later become planets and moons float within the interstellar clouds as solid particles (interstellar dust).

This interstellar cloud begins to contract due to its own gravitational force. About one million years after it started to contract, the proto-sun is formed at the center, and a thin disk-like solar nebula is formed around it. When it settles into a stable state, the temperature and density of the solar nebula are 300-100K and ^10-9-10-11 grams per cubic centimeter, respectively, and both the temperature and density decrease the further away from the sun. The mass of the solar nebula is thought to be about a few percent of the mass of the sun. Solid components are contained in ^the solar nebula as solid particles, but the important thing is the relationship between the temperature of the solar nebula and the composition of the particles. The temperature of the nebula is higher than 150K inside the asteroid region and lower outside. Under pressures similar to those of the solar nebula, water and ammonia are solid at temperatures below 150K, and gaseous at temperatures higher than that. That is, beyond the Jupiter region, planetary material consists of metals, stony materials, and icy materials, and about 1.7% (by weight) of the nebular gas exists in the form of solid particles. On the other hand, in the region closer to the Sun, such as Earth, only metals and stony materials are planetary material, and they account for only 0.34% (by weight) of the nebular gas. As we will learn later, this creates the difference between Jupiter-type planets and terrestrial planets, and is also deeply related to the formation of asteroids.

The solid particles floating in the solar nebula revolve around the Sun along with the nebular gas, but gradually begin to sink to the equatorial plane of the nebula. After 1,000 to 10,000 years, most of the solid particles are concentrated in an extremely thin layer near the equatorial plane of the nebula. This layer is called the solid layer. The solid layer is made up of particles with high specific gravity, so it is dense. Then, the gravitational force created by the solid particles exceeds that of the Sun, making it gravitationally unstable. As a result, the solid layer, which was a single thin disk, breaks into pieces. The size of the fragments is about 10 kilometers in diameter, comparable to the size of Mars' moons and comets. These fragments are now legitimate celestial bodies, and are called planetesimals. The composition reflects the composition of the solid particles, and within the asteroid orbit, they consist of millimeter- to centimeter-sized rocky and metallic solid particles, while in the low-temperature distant regions, icy particles make up the majority.

There are as many as 10 trillion planetesimals in the entire solar system. These exist in the solar nebula gas and repeatedly collide with each other as they orbit the Sun. The planetesimals are constantly subjected to gas resistance from the nebula gas, which keeps the collision speed low. If the collision between planetesimals occurs at high speed, they will be broken up. However, if the collision occurs at low speed, they will merge and grow into larger planetesimals. Celestial bodies that have grown to the size of the Moon are called protoplanets. Protoplanets continue to grow by accumulating more planetesimals. In the case of the Earth, it is estimated that it took several million to 10 million years to reach its current size. In the Jupiter region, it is estimated that it took 10 to 20 million years to grow to the central core of Jupiter (10 to 15 times the mass of the Earth). It is generally known that the longer a planet is from the Sun, the longer it takes to grow. The growth of planets was generally completed from the planets closest to the Sun.

The proto-Sun was in an evolutionary stage called the T Tauri stage for about 20 million years after its formation. At this time, the Sun's surface activity was very intense, emitting strong ultraviolet rays and solar wind. Observations of T Tauri stars have shown that the intensity of ultraviolet rays was 10,000 to 100,000 times stronger than that of the present-day Sun. It is believed that this strong ultraviolet rays and solar wind caused the solar nebula to gradually dissipate, and interplanetary space became the tenuous state we see today.

The growth of planetesimals into protoplanets takes place within the gas of the solar nebula. Therefore, the protoplanets are constantly resisted by the circularly moving nebula gas, and cannot deviate too much from their circular orbit in the solar equatorial plane. It is understood that the reason why planets move along nearly circular orbits in the same plane is the result of this gas resistance. The influence of the solar nebula gas does not end there. When a protoplanet grows larger than the size of the Moon, its own gravitational force also becomes stronger. This gravitational force attracts the surrounding nebula gas into the protoplanet's gravitational sphere, forming a dense atmosphere. This atmosphere is mainly composed of hydrogen and helium, and is called the protoatmosphere to distinguish it from the current atmosphere. The larger the mass of the protoplanet, the more the amount of atmosphere that is attracted increases. For a protoplanet that has grown to the size of Earth, the total mass of the atmosphere is 10 ²⁶ grams. The protoatmosphere plays a very important role in the formation of both terrestrial and Jupiter-type planets.

In the Jupiter region, before the nebular gas dissipates, the core of Jupiter has already grown to 5 to 10 times the mass of the Earth. A huge amount of protoatmosphere is attracted around it, and the mass of the atmosphere is comparable to the mass of the protoplanet. In this state, the atmosphere loses its dynamic stability. The protoatmosphere, which had spread out in the gravitational sphere of the protoplanet, is concentrated on the surface of the protoplanet, and the hydrogen and helium, the main components of the atmosphere, are absorbed into the planet. More nebular gas flows into the thinned gravitational sphere of the planet, and this gas is also absorbed into the planet. In this way, Jupiter has absorbed a large amount of gas and has become a huge planet with a small average density.

The same process must have taken place for planets beyond Saturn. However, the farther away from the Sun the longer it takes for the protoplanet to grow, and the nebular gas dissipates before it can fully grow. This means that the amount of nebular gas that can be absorbed is small. This is why the more distant the Jupiter-type planets are, the less gas there is in them.

The existence of a primitive atmosphere also has a significant impact on the formation and evolution of terrestrial planets. In the case of terrestrial planets, nebular gas exists until growth is complete. In other words, protoplanets have always grown surrounded by a primitive atmosphere. Like the present Earth's atmosphere, the primitive atmosphere has a heat-retaining effect. This effect is very strong in the primitive atmosphere because of its large volume. When the protoplanet becomes larger than one-sixth the mass of the present Earth, the heat-retaining effect causes the surface temperature of the protoplanet to exceed the melting point. By the time it reaches the size of Earth, it reaches a temperature of over 1800K. In this way, terrestrial planets have grown in scorching hot conditions.

When the temperature of the primordial Earth's surface exceeded the melting point of the planetary material, the accumulated planetesimals melted in a short time, and the metal and rock materials separated. The heavy metals then precipitated, and the primordial Earth had a triple structure. That is, there was a primordial core at the center that was a mixture of metal and stony material at a low temperature, surrounded by a metallic layer, and a molten stony layer at the top. The structure with a heavy metal layer sandwiched in the middle was unstable, and it is thought that the primordial core and the intermediate metallic layer were eventually reversed, leading to the metallic core/mantle structure we see today.

[Kiyoshi Nakazawa]

Origin of small solar system bodies

There are many theories about the origin of small celestial bodies in the solar system, such as asteroids, moons, comets, and meteorites, but no definitive answer has been proposed yet. However, the origin of these small celestial bodies can be understood as a natural extension of the planetary formation process, as follows.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do. This resulted in the presence of many small objects between Mars and Jupiter.

It is initially estimated that there were about 1,000 times the number of asteroids known today in the asteroid belt. They were perturbed over many months from Jupiter, gradually shifting their orbits, most of which hit Jupiter, and some hit Mars and Earth, and today most of them have been lost. Even today, small fragments fly from the asteroid belt and the Apollo-Amor-type asteroids and fall to the surface of the Earth. These are meteorites. Meteorites have traces of high-speed impacts, and on the other hand, they are also known to have similarities between the reflective properties of asteroids and the reflective properties of meteorites. It would be a natural idea to assume that asteroids were the mother object of meteorites.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do. In addition to the orbital motion characteristics mentioned above, the fact that the planets in the Jupiter-type planet region are ice blocks with a diameter of about 10 kilometers and contain sand and metal particles is consistent with comets.

The third possibility is that small objects that have entered the planet's gravitational sphere are captured within the gravitational sphere, due to the effect of tidal forces, and continue to rotate around the planet. This is a satellite. In the Jupiter-type planet's area, many small objects remained without being captured by the planet. This increases the probability that they will enter the gravitational sphere. For this reason, many satellites are probably accompanied by Jupiter-type planets. When many small objects enter the gravitational sphere, the small objects may collide. They are then broken into many small fragments, and some of them remain as satellites. It is estimated that very small satellites were created in this way.

Tidal forces are applied to satellites from planets. For example, the moon gradually moves away from Earth. In the case of forward satellites, tidal forces act in the direction of increasing the orbital radius of the satellite, but in the case of retrograde satellites, they act to reduce the orbital radius. As a result, retrograde satellites gradually reduce their orbital radius, and eventually enter the Roche limit of their mother planet. The satellites cannot exist stably within the Roche limit and are crushed to pieces. These fragments are thought to have spread concentric circles around the planet, forming a planet's ring.

Beyond Neptune, planets grow extremely slowly, and it can be said that planets are still growing. According to theoretical estimates, in this area, the age of the solar system (4.56 billion years), the size of the body is only 50 to 100 kilometers in size. Many small bodies (Kuiper Belt bodies) of the size of 100 kilometers have been observed in this area, but these are also considered to be primitive planets that are growing.

[Nakazawa Kiyoshi]

"Nakazawa Kiyoshi, "Structure and Origins of the Solar System" (1979, Koseisha Koseikaku)" ▽ "Iwanami Lecture: Earth and Planetary Science 1: Introduction to Earth and Planetary Science" (1996, Iwanami Shoten)" ▽ "Iwanami Lecture : Earth and Planetary Science 12: Comparative Planetary Science" (1997, Iwanami Shoten)" ▽ "Iwanami Lecture: Earth and Planetary Science 12: Comparative Planetary Science" (1997, Iwanami Shoten)"

Orbits of solar system planets
The solar system consists of eight planets orbiting around the Sun, asteroids, comets, and satellites orbiting around planets. The average distance from the Sun to the planet is approximately 58 million km for Mercury, the closest, and Neptune, the farthest. These planets fly in a fixed orbit at a speed of several km to several tens of km per second. Asteroids exist in a concentrated orbit between Mars and Jupiter © Numazawa Shigemi ">

Orbits of solar system planets

Comparison of the size of the sun and planet
になったんです。 English: The first thing you can do

Comparison of the size of the sun and planet

Schematic diagram of the internal structure of Earth and Jupiter
(1) Earth's internal structure (2) Jupiter's internal structure Note: If ME is the Earth's mass and the number is 1, the Earth's mass is 1 ©Shogakukan ">

Schematic diagram of the internal structure of Earth and Jupiter

Canto-Laplace's Nebula Theory
When the rotational speed of the primitive nebula increases, gases and fine particles are released into rings, and the thicker parts of the ring become planets. The theory is that in the same process, planets are born one after another, and the nebula that remained until the end became the sun © Numazawa Shigemi ">

Canto-Laplace's Nebula Theory

Weisecker's theory of turbulence
Vortexes form in the rotating primitive nebula around the sun, but the outside is slower, making it a larger vortex. The next vortex is created in the stagnation between the vortex, and fine particles and other parts gather here, condensing to create a planet. ©Numazawa Shigemi ">

Weisecker's theory of turbulence

Jeans - Jefferies' tidal theory
Another star passes just near the sun. It is said that at this time, some material erupts from the sun by tidal forces, which eventually condenses and becomes a planet © Numazawa Shigemi ">

Jeans - Jefferies' tidal theory

Primitive Sun and Solar System Nebulae, Formation of Solar Layers
The interstellar cloud begins to contract due to its own attraction. After about 1 million years, a primitive sun is formed in the center, and a thin, disc-shaped solar nebula forms around it (a). Solid particles floating within the solar nebula go around the sun along with nebula gas, gradually beginning to settle on the nebulae equator. Over 10,000 to 10,000 years, most of the solid particles concentrate in an extremely thin layer near the nebulae equator. This layer is called a solid layer (b) ©Numazawa Shigemi ">

Primitive Sun and Solar System Nebulae, Formation of Solar Layers

The inner structure of the primitive earth
©Shogakukan ">

The inner structure of the primitive earth

solar
The radius is 109 times the Earth's radius. A nuclear fusion reaction is carried out in the center. In the upper right corner, you can see a huge prominence (Red Flame). Photographed using an ultraviolet imaging telescope mounted on the science satellite "SOHO" ©ESA/NASA/SOHO ">

solar

Mercury
Mercury is a small rocky planet similar to Earth, and the smallest planet in the solar system. The craters on its surface are clearly visible. The large flat area in the upper left is the Caloris Basin. Photographed by the Mercury probe MESSENGER © NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington

Mercury

Venus
This image was taken by the Ultraviolet Imager (UVI) from an altitude of about 72,000 km. It shows the sulfur dioxide that is the source of Venus' clouds and the wind speed distribution at the cloud top altitude. Photographed by the Venus Orbiter "Akatsuki" © JAXA ">

Venus

Earth
Photographed from Apollo 17 and Madagascar Island. The Arabian Peninsula is visible to the north and Antarctica to the south ©NASA ">

Earth

Mars
Many huge volcanoes and canyons have been confirmed on the surface. Near the center of the photo, the "Mariner Valley" stretches horizontally for about 4,300 km. The white areas at the bottom are the polar caps. Photographed by the Mars Global Surveyor spacecraft © NASA / JPL / Malin Space Science Systems ">

Mars

Jupiter
The largest planet in the solar system, 1316 times the volume of Earth. The atmosphere shows complex stripes. The oval part slightly below the right is the large red spot. The sunspot on the left is a shadow of one of the satellites, Europa. Photographed by the Saturn probe "Cassini" © NASA/JPL/University of Arizona ">

Jupiter

Saturn
The second largest planet in the solar system after Jupiter. The particles that make up the ring are ice blocks that range from a few centimeters to several meters. Photographed from about 3 million km above the Saturn probe Cassini. NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute ">

Saturn

Uranus
Images were created based on data from the near-infrared camera and spectrometer of the Hubble Space Telescope. The axis of rotation is tilted 98° with respect to the orbit plane, and rotates almost sideways. ©NASA ">

Uranus

Neptune
It is about four times the size of the Earth. It orbits the Sun once every 165 years. Photographed by the planetary probe "Voyager 2" © NASA/JPL ">

Neptune

Pluto
A celestial body of the solar system. Its surface is covered with frozen water and methane. It has long been considered a planet, but was considered a dwarf planet in 2006. Photographed by the Pluto probe "New Horizons" © NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute ">>

Pluto

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Near side (the side seen from Earth). The large dark area in the upper left of the center is Mare Imbrium, followed by Mare Serenidae, Mare Tranquillitatis, and Mare Abundantia to the lower right. The white dot on the left of the center is the crater Copernicus, and below you can see the rayed crater Tycho. ©National Astronomical Observatory of Japan ">

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Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

太陽系の構成天体

私たちの太陽系は太陽を中心とし、その重力場内で運動する惑星、衛星、小惑星、彗星(すいせい)、隕石(いんせき)、さらには固体微粒子などの階層の異なる天体（粒子）集団からなっている。太陽系全質量の99.87％は太陽が担い、残りの0.13％のほとんどは惑星が占めている。次に質量の多いのが彗星で、全体の約30万分の1と推定されている。衛星と小惑星の質量はすべてをあわせても全体の300万分の1以下にすぎない。一方、太陽系の角運動量のほとんどは木星や土星など巨大惑星が担い、太陽の自転角運動量は全体の約0.5％にすぎない。

　太陽系の骨格をなすのは、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星の8個の惑星である。太陽に近い6個の惑星は明るく、古来より知られていたが、1778年にF・W・ハーシェルによって新惑星が発見され、のちに天王星と名づけられた。また、海王星は1846年J・G・ガレによって発見された。なお、1930年C・W・トンボーによって発見された冥王星(めいおうせい)は、発見以来惑星の仲間として認められていたが、2006年8月に開催された国際天文学連合（IAU）総会において、質量がきわめて小さく（地球の約430分の1程度）、また、海王星軌道以遠に多数の小天体が存在することから、冥王星は惑星とせず、惑星より小さな準惑星に分類されることとなった。

　惑星はその組成や内部構造から二つのグループに分けられている。太陽に近い水星、金星、地球、火星の四つはいずれも質量が地球質量以下で、また、平均密度は約4グラム／立方センチメートルより大きく、地球型惑星とよばれている。これらの惑星では、中心に鉄を主成分とする核があり、その周りを石質（マントル）物質が取り巻いた構造となっている。

　他方、木星、土星、天王星、海王星の四つは木星型惑星とよばれ、質量は地球の318倍～15倍と大きいが、平均密度は約2グラム／立方センチメートル以下である。木星型惑星では、金属、石質物質、氷質物質からなる中心核の周りを大量のガス成分（水素、ヘリウム）が取り巻いている。これが木星型惑星の巨大化と小さな平均密度の原因となっている。木星型惑星は太陽からの距離が遠くなるほどガス成分が少なくなっているが、中心核の大きさはいずれも同程度と推定されている。また、木星、土星の内部は超高圧状態にあるため、深部では水素が金属状態にあると考えられている。

　地球以遠の惑星には衛星が付随している。2006年末現在、正式に認知された衛星は太陽系全体で121個に上る。この他、木星、土星、海王星には、惑星探査機、天体観測で発見され、軌道要素の追認をうけていない微小衛星がかなりあり、これらを含めると総数は160個を超える。衛星の多くは母惑星の自転方向と同じ方向に公転している。これを順行衛星とよぶ。一部の衛星は母惑星の自転方向とは逆に公転しており、逆行衛星とよばれている。衛星の大きさはさまざまで、木星のガリレオ衛星（4大衛星）や海王星のトリトン、地球における月などは最大級の衛星であり、水星の大きさに匹敵している。また、火星の二つの衛星や木星、土星にみられるいくつかの衛星はたいへん小さく、直径数キロメートルにすぎない。逆行衛星の多くはこのような小さな衛星である。月や火星の衛星は石質、金属質の物質からつくられているが、木星以遠の衛星の主成分は水やアンモニア、メタンなどの氷と推測されている。

　木星型惑星はいずれも環(わ)をもっている。土星の環は1655年C・ホイヘンスにより発見され、環といえば土星固有のものと考えられていたが、1977年には天王星の環が、また、1979年には惑星探査機ボイジャー1、2号によって木星の環が確認された。さらに、1983年には海王星に環らしきものが地上から観測され、1989年にはボイジャー2号によってその存在が確認された。1998年現在、木星には1環、土星には7環、天王星には11環、海王星には4環が知られている。いずれの環も母惑星の赤道面内にあり、その主要部分はロッシュ限界内にある。環は厚さ2～3キロメートル以下と非常に薄く、構成物質は数センチメートル以下の無数の氷塊と推定されている。

　太陽の周りを公転する直径1000キロメートル以下の小天体群を小惑星という。その多くは火星軌道と木星軌道の間にあり、とくに2.1～3.3天文単位の帯状領域（小惑星帯）に集中している。その数は、軌道要素が確定し、登録番号が与えられているものが約13万個（2006年6月現在）、総数は100万個とも推定されている。大きさは、最大の大きさを誇るケレスでも直径約1000キロメートルにすぎない。小惑星は軌道運動の特徴からいくつかの族に分けられている。最近は、表面反射能の特性によっても4～5のグループに分けられており、反射特性がある種の隕石と類似していることが知られている。小惑星帯から著しく外れたところにも少数ながら小惑星が存在する。これらを特異小惑星とよぶ。隕石の供給源の一つと考えられ、地球にたいへん接近するアポロ群小惑星や、木星と土星の間にある小天体キロンなどはこれに分類されている。

　1992年に冥王星の外を公転する小天体が初めて発見されて以来、2007年4月現在までに約4万1200個の海王星以遠の小天体が知られており、カイパーベルト天体（あるいはエッジワース‐カイパーベルト天体）とよばれている。その多くは、35～60天文単位の軌道長半径をもつが、100天文単位を超える軌道長半径をもつ天体もみつかっている。理論的な解析から、これら小天体の軌道（軌道長半径、離心率、軌道面傾斜角）は海王星の引力に強く影響されていることも知られている。カイパーベルト天体の大きさはさまざまで、半径10キロメートル程度の小天体から、冥王星に匹敵する1000キロメートル規模の天体も知られている。

　華麗な尾を引き、ときおり太陽近辺に現れる彗星の本体は核とよばれ、直径約数キロメートルの、石質や金属質の微粒子の混じった氷塊と考えられている。木星軌道よりも内側に入ると太陽光に熱せられ、核から揮発性成分が蒸発・電離して明るく輝きだすとともに、蒸発物質が太陽風に吹き流されて巨大な尾（「イオンの尾」とよばれる）を形成する。同時に、氷塊に混じっていた微粒子も揮発性成分の蒸発に伴って飛び出し、「微粒子の尾」を形成する。このような彗星の描像は理論的に予測されていたものであったが、1986年ハリー彗星に向けて送られた各国の彗星探査機の詳細な観測によって、この予測が裏づけられた。彗星は一般に大きい離心率と軌道面傾斜角を有し、太陽に対し球状に分布している。このことは、おおむね黄道面に集中した惑星と好対照をなしている。

　隕石は月の石とともにわれわれが手にすることのできる数少ない地球外物質である。隕石はその化学組成や変成の程度によっていくつかのグループに分類されている。そのうち、炭素質コンドライトとよばれる隕石は水などの揮発性成分に富み、水素、ヘリウムや希ガスなど、一部のとくに揮発性の高い元素を除いて、太陽大気の元素組成とよく一致している。それゆえ、太陽大気とともに太陽系内の元素組成推定の基礎にされている。

　黄道面近くにはセンチメートル～マイクロメートルの大きさをもつ小さな粒子が無数に存在している。それらが太陽光を反射し、黄道光として観測される。また、とくに粒子密度の高い領域に地球が入ると、地球大気に飛び込んだ粒子が流星、あるいは流星雨として観測される。そのほか、太陽系空間には、太陽コロナから吹き出した太陽風プラズマおよびそれに引きずられた太陽磁場が存在する。

［中澤　清］

惑星の運動

すべての惑星は太陽の周りを楕円(だえん)軌道に沿って回っている（ケプラーの第一法則）。1公転に要する時間は軌道長半径の二分の三乗に比例するという、いわゆるケプラーの第三法則が成り立つ。水星は88日で太陽の周りを1公転するが、地球は1年、木星は約12年、海王星は実に165年で太陽の周りを一周する。軌道の離心率と軌道面傾斜角は水星を除いていずれも小さい。すなわち、どの惑星も太陽の周りを円に近い軌道に沿ってほぼ同一平面上を太陽の自転と同じ方向に公転している。惑星が太陽引力によってのみ運動しているものならば、軌道要素は一定不変に保たれる。しかし、惑星は微弱ながら互いに引力を及ぼし合っており、そのため、離心率や軌道面傾斜角は変動する。ただ、変動幅は小さく、このことが「惑星どうしの衝突や大規模散乱（惑星が他の惑星によって跳ね飛ばされること）はない」という、いわゆる太陽系の安定性を保証している（アーノルドの定理）。天王星より内側の惑星では、太陽からの軌道平均距離がティティウス‐ボーデの法則によって近似され、惑星はほぼ等比級数的に並んでいることになる。

　惑星の多くは公転方向と同じ方向に自転しており、自転軸は公転面に対しほぼ垂直である。ただ、金星では自転周期が長く、回転方向は反対（逆行）である。また、天王星では自転軸が約90度傾いており、横倒しの形で自転している。

　なお、惑星運動においてケプラーの法則が成立するのは、太陽引力が太陽からの距離の二乗に反比例するというニュートンの万有引力の法則のためである。歴史的にいえば、ケプラーの法則から万有引力の法則が導かれ、近代科学の基礎が築かれた。また、天王星の観測位置とニュートン力学から計算された位置の差から海王星の存在が予言され、ほぼ予言どおりに発見された。このことによりニュートン力学は揺るぎないものとなったわけで、惑星の運動こそが近代科学をつくりだしたといえる。

［中澤　清］

惑星の科学探査

太陽系内の諸天体の観測は、1960年代までは望遠鏡観測など、もっぱら天文学的な手法で行われていた。1970年代以降は、探査機による「その場観測」が行われるようになり、惑星や衛星に関する知見は飛躍的に増大、精密化した。

　木星型惑星は大量のガス成分をもっているが、その主要な成分は水素とヘリウムである。ヘリウムの質量比（大気1グラム中に含まれるヘリウムの質量）は木星、天王星、海王星ではおおむね0.27で、太陽大気の値とほぼ等しい。ただ、土星ではこの比が0.06と小さい。これは、土星内部の物理環境下では水素とヘリウムの不混和がおこり、原子量の大きなヘリウムが深部に沈殿してしまった結果と考えられている。

　金星と火星の大気主成分は炭酸ガスである。原始地球の大気主成分も炭酸ガスであったと推定されており、地球型惑星の初期大気はいずれも炭酸ガスであったと考えられている。しかし、各惑星の質量や太陽からの距離が違うため、惑星それぞれに独自の大気進化がおこり、現在の大気量およびその主成分は惑星ごとに異なるものとなった、と理解されている。

　木星に強い磁場があることは、1950年代に発見された木星電波の研究からわかっていたが、地球、木星以外の惑星磁場は惑星探査によってはじめて明らかにされた。自転速度がきわめて遅い水星や金星にも微弱ながら磁場がある。また、土星の磁場は木星に次いで強く、天王星、海王星にも地球程度の強さをもつ磁場の存在が確認されている。火星では局所的な磁場はあるものの、大域的な磁場は観測されていない。多くの惑星では、自転軸と磁極軸がおおむね一致しているが、天王星では55度もずれている。惑星磁場の原因は良電導性流体のダイナモ作用と考えられているが、地球型惑星では鉄を主成分とする金属流体核、木星や土星では高圧下の金属水素がダイナモ作用を担っていると推測されている。

　惑星探査によって地球型惑星の表面地形も詳細にわかってきた。大気をもたない水星は、月と同じような大小さまざまなクレーターで覆われており、また、月と同じく表地形と裏地形が大きく異なる「地形の2極性」を示す。金星には火山状の高地や溶岩流を思わせる細い縞(しま)状地形など、火山性の多様な地形がみられるものの、地球のようなプレート境界（表層の大規模な割れ目）は存在しない。火星には火山性の地形のほかに、河川や大洪水の跡など、かつて水が存在したことを示す種々の地形がみつかっている。

［中澤　清］

太陽系の年齢

もっとも確からしい太陽系の年齢は隕石の同位体比分析から得られる。ウランやカリウム、ルビジウムなど放射壊変する同位元素は、それらが置かれている物理・化学的環境とは無関係に一定の割合で壊変する。このことを利用して放射性同位元素やその生成同位元素の分析によって、隕石がつくられた時期を割り出すことができる。少数の隕石に若い年齢のものもあるが、多くは約45億6000万年という年齢を示す。これよりも古いものがみつからないことから、隕石はこの時期に形成されたと考えられている。他方、地球や月の岩石の多くはかなり若く、もっとも古いものでも38～40億年である。しかし、月の「土」は隕石と同じ45億6000万年前後の年齢を示す。月や地球の岩石が若い年齢を示すのは火成活動のためであり、太陽系の年齢としては45億6000万年と考えるのが妥当であろう。

　他方、恒星進化の理論的研究から、太陽自身の年齢を45億6000万年とすれば、現在の太陽半径、太陽光度と矛盾しないことが知られており、太陽を含め太陽系のすべての諸天体が45億6000万年前につくられたことになる。

［中澤　清］

太陽系外太陽系

バーナード星に惑星が付随していることは1950年代から知られていたが、近年の天文観測技術の格段の進歩により、1990年代なかばから恒星の周りの高精度の惑星系探査が盛んに行われるようになった。その結果、2006年末までに、約200個の系外惑星が発見されている。これら系外惑星の多くは木星級の大きさ（木星質量の10～1倍）であり、軌道長半径も小さい（0.05～1天文単位）。これは、質量が大きく、公転周期の短い惑星が発見されやすいという観測上の選択効果の反映にほかならない。最近では、少数ながら、地球質量の数倍程度の惑星も発見されている。

　系外惑星の軌道運動はさまざまで、惑星軌道半径が異常に小さな（0.05天文単位）もの、軌道離心率が異常に大きいもの（0.4～0.6）など、われわれの太陽系とはかなり異なった系外太陽系もみつかっている。また、二重星の一方の恒星周りを回る惑星もみつかっており、太陽系の多様な姿が明らかになりつつある。

［中澤　清］

太陽系起源論の歴史

太陽系の起源に関してこれまでに多くの説が唱えられてきた。それらは二つの考え方に大別される。第一は、太陽と他の天体との遭遇あるいは衝突といった偶然的なできごとに成因を求めるもので、微惑星説、潮汐(ちょうせき)説、連星説などがこれに属する。第二は、太陽の誕生と進化の過程において形成されたとするもので、カント‐ラプラスの星雲説や電磁説、乱流説などがある。また、後述する現代的な形成論もこれに属する。

　惑星の形成が初めて書物で取り上げられたのは1745年ビュフォンによる『惑星の起源』であった。その10年後にはI・カントによって星雲説が発表される。カントの星雲説はのちにラプラスにより修正、補強され、今日、カント‐ラプラスの星雲説として有名である。1844年にはフーシェにより「角運動量の困難」が提示された。「太陽系のもつ角運動量の98％は質量がわずか0.13％に満たない惑星によって担われている。この事実を説明することがすなわち惑星形成を説明することである」という議論である。星雲説ではこの問題に明解な解答を与えることができず、1900年ごろより、遭遇説にとってかわられた。

　遭遇説にはいくつかの変形がある。T・C・チェンバリンやF・モールトンの微惑星説では、たまたま太陽の近くを他の恒星がよぎり、その潮汐力によって太陽表面から飛び出した物質が微粒子として固化し集積したものが惑星となったと考える。また、J・ジーンズやH・ジェフェリーズが展開した潮汐説は、同様にして飛び出した物質が紐(ひも)状となりそこから惑星が生まれた、とする考えである。H・N・ラッセルやR・A・リットルトンの連星説では、太陽はもともと連星であったが、他の恒星の通過によって伴星が飛び去り、その際、潮汐説と同じような現象がおこったとする。これらの説は一時有力視されたが、1939年L・スピッツァーにより「高温の太陽表面から引き出された物質は固まることはできず雲散霧消する」との決定的な反論が出され、その後、あまり顧みられなくなった。

　こののち、C・ワイゼッカーによる乱流説や、H・アルベーンの電磁説が提唱される。乱流説では、原始太陽の周りを回る気体の中に乱流渦が生じ、渦と渦の間に固体微粒子が集められ惑星に成長すると考える。また、電磁説では、原始太陽の周りのプラズマと太陽磁場の相互作用が惑星形成に重要な役割を果たしたとする考えである。しかし今日では、これらの説はいずれも歴史的意味しかもっていない。

　現代的な太陽系起源の研究は、原始星の観測や恒星の形成の理論、隕石、月、惑星などの観測を基礎にして、より厳密に物理法則を適用しながら、太陽系のもつ特徴を統一的に説明すべく、1970年代からV・S・サフロノフや林忠四郎らによって始められた。いくつかの問題点を残しているものの、太陽系起源の大筋はしだいにはっきりしてきた。

［中澤　清］

惑星系の形成

太陽および太陽系内天体のもととなるのは、銀河系に漂っていた星間雲である。「雲」とはいってもたいへん希薄低温で、典型的な温度は20K、密度は1立方センチメートルについて10^-19グラム程度である。その主成分は水素とヘリウムガスで、のちに惑星や衛星となる固体成分は固体微粒子（星間塵(じん)）として星間雲内に浮かんでいる。

　この星間雲が自らの引力によって収縮を開始する。収縮を始めてから約100万年たったころ、中心には原始太陽がつくられ、その周りには希薄な円盤状の太陽系星雲が形成される。安定な状態に落ち着いたときの太陽系星雲の温度、密度は300～100K、10^-9～10^-11グラム／立方センチメートル程度であり、温度、密度ともに太陽から離れるほど低くなっている。また、太陽系星雲の質量は太陽質量の数％程度と考えられている。固体成分は太陽系星雲内に固体微粒子として含まれているが、重要なことは太陽系星雲の温度と微粒子の組成との関係である。小惑星領域より内側では星雲の温度が150Kよりも高く、外側では低い。太陽系星雲程度の圧力の下では、150Kよりも低温では水やアンモニアは固体の状態であり、それより高温ではガスの状態である。すなわち、木星領域以遠では惑星材料物質が金属、石質物質および氷質物質からなり、星雲ガスのうち約1.7％（重量比）が固体微粒子の形で存在している。他方、地球など太陽に近い領域では金属、石質物質のみが惑星材料物質であり、星雲ガスのうち、わずか0.34％（重量比）にすぎない。のちに知るように、このことが木星型惑星と地球型惑星の差を生み出し、また、小惑星形成とも深く関係しているのである。

　太陽系星雲内に浮かんだ固体微粒子は星雲ガスとともに太陽の周りを回っているが、しだいに星雲赤道面に沈降し始める。そして、1000～1万年でほとんどの固体微粒子は星雲赤道面近くのきわめて薄い層に集中してしまう。この層のことを固体層とよんでいる。固体層は比重の大きい微粒子が集まっており、それだけ密度も高い。そして、固体粒子群のつくりだす引力が太陽の引力を上回るようになり、重力的に不安定となる。その結果、1枚の薄い円盤であった固体層がばらばらに分裂してしまうのである。分裂破片の大きさは直径約10キロメートルで、火星の衛星や彗星の大きさに匹敵している。この分裂破片はもはやれっきとした天体であり、微惑星とよんでいる。組成は、固体微粒子の組成を反映し、小惑星軌道以内ではミリメートル～センチメートルサイズの岩石質、金属質の固体粒子からなり、また、低温の遠方領域では、氷質の粒子が大部分を占める。

　太陽系全体でつくられる微惑星は10兆個にも及ぶ。これらは太陽系星雲ガス中にあって、太陽の周りを回りながら互いに衝突を繰り返す。微惑星は星雲ガスからつねにガス抵抗力を受け、そのため、衝突速度は小さく抑えられている。微惑星どうしの衝突がおこったとき、高速度であれば微惑星は破砕されてしまうだろう。しかし、低速度衝突の場合、衝突すれば互いに合体し、大きな微惑星へと成長していく。月程度の大きさにまで成長した天体を原始惑星とよんでいる。原始惑星はさらに微惑星を集積して成長を続ける。地球の場合、現在の大きさにまでなるのに数百万年から1000万年かかると推定されている。また、木星領域では、木星の中心核（地球質量の10～15倍）にまで成長するのに1000万～2000万年とされている。惑星の成長時間は一般に太陽からの距離が遠いほど長い時間を要することが知られている。おおむね太陽に近い惑星から成長が完了していったのである。

　原始太陽は形成されてから約2000万年までTタウリ段階とよばれる進化段階にある。このころの太陽は表面活動がたいへん激しく、強い紫外線や太陽風を吹き出している。Tタウリ型星の観測によれば、紫外線の強度は現在の太陽の1万～10万倍も強いことが知られている。この強い紫外線や太陽風によって太陽系星雲はしだいに散逸し、惑星間空間は今日みられるような希薄な状態となったと考えられている。

　微惑星から原始惑星への成長は太陽系星雲のガスの中で進行する。それゆえ、原始惑星は円運動している星雲ガスからつねに抵抗を受け、太陽赤道面内の円軌道からあまりずれることはできなかった。惑星がほぼ同一面内を円に近い軌道に沿って運動しているのはこのようなガス抵抗作用の結果と理解される。太陽系星雲ガスの影響はこれにとどまらない。月のサイズよりも大きく成長した原始惑星では自らの引力も強くなる。この引力によって周りの星雲ガスを原始惑星重力圏内に引き付け、濃い大気を形成する。この大気は水素とヘリウムが主成分であり、現在の大気と区別して原始大気とよんでいる。原始惑星の質量が大きくなればなるほど引き付けられる大気量は増える。地球サイズにまで成長した原始惑星では、大気総質量が10²⁶グラムにもなる。原始大気は地球型惑星の形成にも、また木星型惑星の形成にもたいへん重要な役割を果たすことになる。

　木星領域では星雲ガスが散逸する前にすでに木星の中心核は地球質量の5～10倍に成長している。その周りには膨大な量の原始大気が引き付けられ、大気質量は原始惑星の質量に匹敵するほどである。このような状況になると大気は力学的安定さを失ってしまう。それまで原始惑星の重力圏に広がっていた原始大気は原始惑星表面に集中し、大気の主成分である水素やヘリウムが惑星に取り込まれてしまうのである。希薄になった惑星重力圏にはさらに星雲ガスが流れ込み、このガスもまた惑星に取り込まれてしまう。このようにして、木星は大量のガスを取り込んだ結果、巨大な、しかし平均密度の小さな惑星になったのである。

　土星以遠の惑星でも同じ過程が介在したはずである。しかし、太陽から離れるほど原始惑星の成長に長時間を要し、十分成長する前に星雲ガスが散逸してしまう。そのため、取り込める星雲ガスの量は少なかったのである。これが遠方の木星型惑星ほどガス成分の量が少ない理由である。

　原始大気の存在は地球型惑星の形成、進化にも重大な影響をもつ。地球型惑星の場合、成長が完了するまで星雲ガスは存在している。すなわち、原始惑星はつねに原始大気をまとって成長してきたのである。現在の地球大気と同様に原始大気も保温効果をもつ。原始大気では大気量が多いためその効果はたいへん強い。原始惑星が現地球質量の6分の1以上の大きさになると、保温効果のため原始惑星の表面温度は融点を超える。地球の大きさにまでなったときには、実に1800Kを超える高温となる。このように、地球型惑星は灼熱(しゃくねつ)の状態で成長したのである。

　原始地球表面の温度が惑星物質の融点を超えると、集積してきた微惑星は短時間のうちに溶け、金属と岩石物質が分離する。そして重い金属は沈殿し、原始地球は三重構造になる。すなわち、中心に低温で金属、石質物質の混じった原始中心核があり、その周りに金属層、最上部に溶融した石質層が取り巻いている。比重の大きい金属層が中間に挟まった構造は不安定で、そのうち原始中心核と中間金属層が逆転し、今日みる金属中心核・マントル構造に至ったと考えられている。

［中澤　清］

太陽系内小天体の起源

小惑星、衛星、彗星、隕石など太陽系内小天体の起源については多くの説が提唱されているが、いまだ確定的なものはない。しかしこれら小天体の起源も以下のように惑星形成過程の自然な延長として理解できる。

　太陽系の形成が始まって約1000万年のころ、小惑星領域では惑星成長がまだ十分進んでおらず、月サイズ以下の原始惑星、微惑星が多数存在していた。同じころ、地球や火星はほぼ現在の大きさにまで成長している。太陽に近いほど成長が速いからである。他方、木星領域でも原始木星はほぼ成長を完了している。この領域では氷成分が惑星材料物質に加わっており、小惑星領域より遠方にあるにもかかわらず材料物質が多いため惑星成長が速いのである。形成開始後1000万～2000万年のころ、太陽系星雲ガスはしだいに散逸し、惑星間空間は希薄になる。ちょうどこのころ成長を終え巨大な惑星となった木星は小惑星領域まで摂動(せつどう)を及ぼす。木星に振り回されたうえに、衝突速度を抑制していた星雲ガスがなくなったわけで、小惑星領域の原始惑星や微惑星の速度はしだいに増大する。そして相互の衝突は激しいものとなって、成長とは逆に小砕片に砕かれてしまう。これが火星と木星の間に多数の小天体が存在する結果を招いたのである。

　当初、小惑星帯には、現在知られている小惑星の数の約1000倍ほどの天体が存在したと推測されている。それらは木星から長年月にわたる摂動を受け、軌道がしだいにずれ、大部分は木星に、一部は火星や地球に衝突して、今日ではそのほとんどが失われてしまった、と考えられている。現在でも、小惑星帯やアポロ・アモール型小惑星群から小さな破片が飛来し、地球表面に落下する。これが隕石である。隕石には高速衝突の痕跡(こんせき)が残っており、他方、小惑星の反射特性と隕石の反射特性の類似性も知られている。小惑星が隕石の母天体であったとするのは自然な考え方であろう。

　惑星の成長がほぼ完了し太陽系星雲が散逸したあとも、惑星に取り込まれなかった微惑星や原始惑星などの小天体が残っている。とくに惑星成長の遅い木星型惑星の領域ではかなりの数の小天体が存在したはずである。取り残された小天体が星雲散逸時あるいはその後惑星に遭遇し、ときおり惑星重力圏に入ることもおこっただろう。このような小天体に待ち受けている運命は次の三つのうちのいずれかである。一つは惑星と衝突することである。この場合、惑星の成長に寄与するだけで特別なことはおこらない。第二の可能性は、惑星から大きな摂動を受け、跳ね飛ばされてしまうことである。惑星重力圏からふたたび脱出し、これまでとはまったく違った離心率や軌道面傾斜角の大きい軌道に入る。何度も惑星と接近するうちに、太陽赤道面内に集中していた微惑星もしだいにいろいろな軌道面傾斜角をもち、太陽の周りに球状に分布するようになる。また、離心率も極端に大きくなり、長楕円(ちょうだえん)軌道を描くようになる。これらが彗星にほかならない。上述のような軌道運動の特性に加えて、木星型惑星領域の微惑星が直径10キロメートルほどの、砂や金属粒子を含んだ氷塊であることも彗星の特徴に符合している。

　第三の可能性は、惑星重力圏に入った小天体が潮汐力の作用などで、重力圏内に捕獲され、惑星の周りを回り続けることである。これが衛星である。木星型惑星の領域では多くの小天体が惑星に取り込まれず残っていた。そのためそれらが惑星重力圏に突入する確率も増える。こんなわけで木星型惑星には多くの衛星が付随しているのだろう。重力圏に多くの小天体が入ると、小天体どうしが衝突することもおこる。そして多数の小さな破片に砕かれ、そのうちの一部分は衛星としてとどまる。たいへん小さな衛星はこのようにしてつくられたと推測されている。

　衛星には惑星から潮汐力が働いている。この力のために、たとえば、月はしだいに地球から遠ざかっている。順行衛星の場合、潮汐力は衛星の軌道半径を大きくする方向に働くが、逆行衛星の場合には逆に軌道半径を小さくするよう作用する。その結果、逆行衛星はしだいに軌道半径が小さくなり、ついには母惑星のロッシュ限界内まで突入する。ロッシュ限界内では衛星が安定には存在できず、粉々に砕かれてしまう。このような砕片が惑星の周りに同心円状に広がり、惑星の環を形成したと考えられている。

　海王星以遠では、惑星の成長はきわめて遅く、いまだに惑星の成長が続いている、ともいえる。理論的な見積りによると、この領域では、太陽系の年齢（45億6000万年）をかけてやっと50～100キロメートルサイズの天体になる。この領域に100キロメートルサイズの多くの小天体（カイパーベルト天体）が観測されているが、これらは成長途上の原始惑星とも考えられる。

［中澤　清］

『中澤清編『太陽系の構造と起源』（1979・恒星社厚生閣）』▽『松井孝典他著『岩波講座　地球惑星科学1　地球惑星科学入門』（1996・岩波書店）』▽『松井孝典他著『岩波講座　地球惑星科学12　比較惑星学』（1997・岩波書店）』

[参照項目] | 隕石 | 衛星 | カント‐ラプラスの星雲説 | 小惑星 | 彗星 | ティティウス‐ボーデの法則 | バーナード星 | 惑星

太陽系惑星の軌道
太陽系は、太陽を中心にその周りを回る8個の惑星、小惑星群、彗星、また惑星の周りを回る衛星などからなる。太陽から惑星までの平均距離は、もっとも近い水星が約5800万km、もっとも遠い海王星は約45億kmである。これら惑星は定まった軌道上を秒速数kmから数十kmの速さで飛んでいる。小惑星は火星と木星の軌道の間に集中して存在する©沼澤茂美">

太陽系惑星の軌道

太陽と惑星の大きさ比較
太陽は、大きさ、質量とも太陽系内の他の天体を圧倒する。その直径は地球の109倍、質量は33万倍以上であり、惑星中もっとも大きい木星が地球の11倍の大きさ、質量で300倍余りであることと比べても明白である。水星と金星以外の惑星は1～十数個の衛星をもち、木星、土星、天王星は環をもっている。8個の惑星は、その軌道が地球の軌道の内側か外側かによって内惑星、外惑星に分けられる。また火星より内側の惑星は質量、半径とも小さいが、平均密度が高く、自転周期も長く、形も球に近い。これらは地球型惑星とよばれる。一方、木星より外側の惑星は質量、半径は大きいが平均密度が小さく、水、メタン、アンモニアなどの水素化合物を多く大気に含み、自転周期は短く、形もやや偏平である。これらは木星型惑星とよばれる©藤田正純">

太陽と惑星の大きさ比較

地球と木星の内部構造模式図

カント‐ラプラスの星雲説

ワイゼッカーの乱流説

ジーンズ‐ジェフェリーズの潮汐説

原始太陽と太陽系星雲、固体層の形成
星間雲が自らの引力によって収縮を始める。約100万年を経過したのち、中心には原始太陽がつくられ、その周りには希薄な円盤状の太陽系星雲が形成される（a）。太陽系星雲内に浮かんだ固体微粒子は、星雲ガスとともに太陽の周りを回り、しだいに星雲赤道面に沈降を開始。1000～1万年で、ほとんどの固体微粒子は星雲赤道面近くのきわめて薄い層に集中する。この層を固体層とよぶ（b）©沼澤茂美">

原始太陽と太陽系星雲、固体層の形成

原始地球の内部構造

太陽

水星
地球型の小型岩石惑星で、太陽系惑星中ではもっとも小さい。表面のクレーターがはっきりと確認できる。左上の大きな平地部分がカロリス盆地。水星探査機「メッセンジャー」により撮影©NASA／Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory／Carnegie Institution of Washington">

水星

金星

地球

火星
表面には、多くの巨大火山や峡谷が確認されている。写真中央付近に長さ約4300kmの「マリナーの谷」が横に延びる。下部の白い部分は極冠。火星探査機「マーズ・グローバル・サーベイヤー」により撮影©NASA／JPL／Malin Space Science Systems">

火星

木星
地球の1316倍の体積をもつ太陽系最大の惑星。大気が複雑な縞模様をみせる。右やや下の楕円形部分が大赤斑。左の黒点は衛星の一つ、ユーロパの影。土星探査機「カッシーニ」により撮影©NASA／JPL／University of Arizona">

木星

土星
太陽系では木星に次いで2番目に大きい惑星。環を構成する粒子は、数センチメートルから数メートルの氷塊である。土星探査機「カッシーニ」により、上空約300万kmから撮影©NASA／JPL-Caltech／Space Science Institute">

土星

天王星

海王星

冥王星
太陽系外縁天体。表面は凍った水やメタンに覆われている。長く惑星とみなされてきたが、2006年に準惑星とされた。冥王星探査機「ニュー・ホライズンズ」により撮影©NASA／Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory／Southwest Research Institute">

冥王星

月

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