76

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010

特集
「月科学の最先端と今後の展望：月はどこまでわかったのか？」

徹底比較！月の起源

玄田 英典

1

2010年4月23日受領，2010年4月30日受理．

（要旨）月の起源といえば，巨大衝突説（ジャイアントインパクト説）であると，最近では当然のように考えられているが，はたして本当にそうなのであろうか．月の起源を制約する観測データを再考し，それにもとづいて，4つの月の起源に関する仮説（分裂説・捕獲説・双子説・巨大衝突説）を再検討した（表1）．総合的には，巨大衝突説が有力ではあるが，最近の巨大衝突説に関する精力的な研究によって，いくつか弱点も見え始めてきた．

1. はじめに

2.1

角運動量

古来から数々の月の起源に関する仮説が提唱されて月の質量は，地球の約1/80であり，他の惑星―衛星きた．本稿では，月の起源として，代表的かつ，科学系とくらべると1桁以上大きい ．月が大きいというこ的検討に耐えうる説として，分裂説・捕獲説・双子説・とは，地球―月系の角運動量も当然大きくなる．した

巨大衝突説（図1）を取り上げ，観測的な制約条件からがって，月の起源を考える場合，衛星の質量だけでなそれぞれの仮説の長所・短所について検討を行う．こく，角運動量も説明しなければならい．また，地球－のような比較は1980年代に多くレビューされてきたが月系の角運動量ベクトルは，地球の公転面の法線とほ[例えば，1,2]，近年，惑星形成に関する知見に進展がぼ平行である．現在の地球の自転角運動量は，地球―あったこと，また，巨大衝突説に関して，主にシミュ月系の角運動量と比べて無視できるので，月の公転面レーションの分野で精力的に研究が進んだことによっと地球の公転面がほぼ平行であると言いかえることがて，逆に巨大衝突説の弱点も見え始めてきた．そこで，できる．

本稿では，改めて上記の4つの仮説について観測的制約条件をもとに再検討をしてみたいと思う．

1

2.2

大規模溶融

アポロ計画により地球に持ち帰られた月の岩石試料

2. 観測的制約条件の分析から，月の高地の組成が斜長石を多く含む斜長岩でできていることがわかった．またそのような試料はじめに，月の起源を考察する上で重要となってくの年代測定により，月の高地の年代が極めて古いこと

る月と地球に関する観測的制約条件を簡単にまとめてがわかった．このことから，月は形成直後に，大規模おく．に溶融していた，つまりマグマオーシャンの状態を経験したことが明らかとなった[例えば，4]．マグマオ

1. 東京大学大学院理学系研究科
genda@eps.s.u-tokyo.ac.jp

1. ちなみに冥王星－カロン系は1/10と大きい．そのため，月の起源と同様に，カロンも巨大天体衝突で形成されたとする研究もある[3]．

徹底比較！月の起源／玄田77

図1：分裂説・捕獲説・双子説・巨大衝突説のイメージ図ーシャンがどれくらいの深さであったのかについては，[8]．このことは，地球と月が酸素同位体的に同じ材料まだ議論はわかれている[5]が，大規模溶融は，月の形でつくられた，もしくは，月形成過程で酸素同位体が成メカニズムに強い制約を与える．

よく混ざり同位体平衡に達したことを意味する．

2.3

組成

3. 月の起源の再評価
3

月の平均密度（3.34 g/cm ）は，地球の非圧縮時の平3均密度（4.45 g/cm ）よりも小さい．このことは，月は表1に観測的制約条件に対して，それぞれ，4つの月地球よりも軽い物質でできていることを意味し，月にの起源に関する仮説（分裂説・捕獲説・双子説・巨大金属鉄が少ないと考えるのが最も簡単である．月震お衝突説）について検討したものをまとめた．各評価は，よび月重力の解析でも，月には金属鉄のコアがないか， 以降の各論で詳しく述べる．
もしくはあったとしても非常に小さいことが示唆されている[例えば6]．

3.1

分裂説
2

月のバルク組成に関しては，揮発性元素（蒸発温度

1880年にダーウィン が提唱した分裂説から検討をが1300K以下）が強く枯渇している点を除けば，地球はじめよう．分裂説は，高速回転する地球の外側部分，マントルと基本的には類似していると通常は考えられつまりマントルから月が分裂してできたとする説であている[例えば7]．しかし，実際のところは，我々は月る．この説は，前節で挙げた多くの組成的制約条件をに関しては表面組成しか分かっておらず，また，地球説明することができる．まず，ちょうど月質量の物質マントルに関しても，下部マントルの組成は厳密にはが地球から分裂した場合，月のバルク組成は，地球マわかっていない．したがって，バルク組成が類似してントルとおおざっぱには同じ組成になる ．また，分いるかどうかを月の形成メカニズムの制約にどれくら

裂説でできる月は金属鉄を必然的に含まない．酸素同い用いてよいのかはよくわからない．
一方，同位体に関しては，組成よりも確かなことが言える．地球と月の酸素同位体比は，区別できないほど同じ分別線にのる[例えば8]．一方，火星やほとんどの隕石の酸素同位体比は，地球と月のそれとは異なる

3

2.「種の起源」を提唱したチャールズ・ダーウィンの息子．
3.“おおざっぱには”といったのは，もし仮に高速回転する地球マントルがすでに分化していた場合，分裂によって選択的に地球の地殻物質が月に多くとりこまれることなる．この場合，地殻成分には多くの Al や Ca を含むことを考えると，もしかしたら，月に Al や Ca が多く存在するかもしれないことと，調和的かもしれない．

78

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010

位体が地球と月で区別できないことも容易に説明する．

成されたとするのが捕獲説である．この説で，月を作

月が大規模溶融を経験したことも，分裂という激しいることは物理的にも化学的にも難しい．まず，天体を現象を考えれば，定性的には許せる．

捕獲するためには，地球に接近してきた月の軌道エネ

一方，分裂説の欠点は2つある．1つは，高速回転しルギーを抜く必要がある．軌道エネルギーを抜くメカている地球という初期条件である．どのようにして分ニズムとしては，地球との潮汐散逸[14]やガス円盤に裂するほどの高速回転を実現するのかが問題である．

よる散逸が考えられる[15]．しかし，地球の約1/80も1980年代までは，地球は終始微惑星の集積で形成されある大きな月を潮汐で捕獲しようとするためには，地ると考えられていたため，そのような多数の微惑星の球のごく近傍を通過する必要があり，そのような場合ランダム的な衝突で，一方向だけ回転が卓越するとはには，月は潮汐破壊してしまい，単純に月を捕獲する考えにくかった[例えば，9]．2つ目の欠点は，仮に分ことはできない．また，円盤ガスによる散逸について裂が起きるほどの高速回転が実現したとしても，そのは，十分なガス円盤がなければならないのと，月が地ような高速回転に必要な角運動量は，現在の地球―月球に落下する前に円盤ガスを散逸させなければならな系の角運動量の2倍という試算がされている[10]．つまいという絶妙なタイミングが必要である．

り，分裂説で月を作った場合，地球―月系から角運動また，化学的にも多くの問題を持っている．まず，量を約半分ぬかなければならない．太陽との潮汐で角この仮説では，地球と月が太陽系の別々のところで形運動量を抜くなどのアイデアがあるが，あまり有効に成されたとするので，酸素同位体が異なる材料物質では働かなかったと考えられる[10]．しかし，なんらか形成された可能性が高い．したがって，現在の地球―のメカニズム，例えば，分裂時に一部分の物質が地球月系の酸素同位体の一致を容易には説明できない．大重力圏から飛び出し，その際に角運動量が持ち去られ規模溶融したかどうかも自明ではない．また，捕獲されば，問題は解決するかもしれない[1]．

れて月となる天体がもともと金属鉄を多く含まなかっ

ここで，ひとつ注意しておくことがある．それは，た天体だと考える積極的な理由がない．以上の多くの1990年代に入り，地球の集積が，前半は微惑星の集積点から，捕獲説は，月の起源としてあまり有力ではなによる原始惑星の形成で，後半がそれら原始惑星同士いことを確認することができる．の衝突で特徴づけられることがわかった点である．このことから，高速回転問題は，再考する必要が出てき

3.3

双子説た．小久保ら[11]の地球型惑星形成の最終ステージの地球と月がほぼ同じ場所で連星形成のように同時に数値計算によると，最終的にできあがる地球型惑星の形成したとするのが双子説である．捕獲説とは異なり，回転速度は，分裂する程度にまでスピンアップするこ

同じ材料物質で地球と月が作られるため，組成的にもとがわかった．これは，一見，分裂説を支持するよう同位体的にも地球と月は類似する．しかし，地球と同にみえるが，実は，小久保らの計算は，原始惑星の合程度の金属鉄コアを月が持ってしまうことは避けられ体において「完全合体」を仮定しており，原始惑星のない．また，月が大規模に溶融することは難しく，月衝突による角運動量の増加分をすべて惑星の回転速度だけから揮発性元素を強く枯渇させる積極的なメカニに焼きなおしている．したがって，最終的な回転速度ズムはない．

を過大評価している．実際は，衝突しても合体しない

一方で，このようなプロセスで月を形成すること自効果などにより，惑星が高速回転しない [12]．より衝体は，不可能ではない．しかしながら，集積中，成長突を現実化した数値計算によると，確かに，回転分裂する地球の重力が強くなることによって，月が地球にするほどにまでは達していない[13]．

落下しないように，微調整される必要があり，決して3.2

捕獲説

地球と月がそれぞれ太陽系の別の場所で形成し，そのあと月が地球のすぐそばを通過した際に，なんらかのメカニズムで月が捕獲され，現在の地球―月系が形容易とはいえない．また，3.1節で述べた現代的な地球型惑星形成シナリオでは，共成長している地球―月系が，原始惑星の衝突によって壊されてしまう，という問題点もある．

徹底比較！月の起源／玄田3.4 巨大衝突説

79

球的に溶融するのは疑いない．このことから月が大規模溶融を経験したことと調和的である．円盤形成およ

地球に火星質量（地球質量の1/10程度）の天体がななび短時間の月集積から，形成された月に揮発性元素がめに衝突することによって，衝突天体のマントル物質枯渇する．この過程を追った計算[20]によると確かにが地球周辺にばらまかれ，円盤が形成される．この円揮発性元素（Na, Kなど）は強く枯渇し，難揮発性元素盤から月が集積してできたとする説が，巨大衝突説で（Ca, Alなど）は濃集する結果が得られている．

ある．

酸素同位体はどうであろうか．実は，ごく最近まで，この説は，2節で述べた多くの制約条件を満たす．

この制約は巨大衝突説を否定する強い根拠となっていまず，上記のような衝突が起これば，確かに地球のまた．それは，捕獲説で考察したことと同じように，地わりに多くの物質がばらまかれることが衝突のシミュ球とは離れた場所で衝突天体が形成されたと考えられレーションによってわかっており，どのような衝突でるので，衝突天体と原始地球が同位体的に異なっていどのような円盤が形成されるかもある程度はわかってたと考えるのが普通であり，円盤物質の75-90%が衝突いる[例えば，16]．この円盤から月が集積する過程も天体由来であることを考えると[16]，酸素同位体の点詳細に調べられており，1カ月～ 1年という非常に短では観測と矛盾する．したがって，衝突天体がもともい時間で月が形成される [17]．1980年代までは，このと原始地球と同じ酸素同位体を持っていたと考えないような巨大天体の衝突が恣意的であることから，この限り，この制約を満たすことはできなかった．しかし説が疑問視されることもあったが，最近の地球型惑星ながら，最近，この問題の解決策がパーレバンとステ形成の詳細な数値計算の結果[18,19]によると，3.1節でィーブンソン[21]によって示された．彼らは，巨大天述べたように，地球型惑星形成の後期には火星サイズ体の衝突によって形成された部分蒸発した円盤と，地の原始惑星同士の衝突が複数回起きることがわかって表面の溶融した地球を考え，円盤が冷却する際に，円きた．正面衝突よりもななめ衝突の方が確率的には高盤内で激しい対流（混合）が起こり，円盤物質と地球マいことを考えれば，複数回起こる現象で，1回ぐらいントルが最終的に同位体平衡に達することを示した．

月が形成されても確率的には許されるだろう．しかし彼らの研究によって，酸素同位体という制約についながら，このプロセスで形成される地球―月系の角運て一段落ついたように思われたが，その後，いくつか動量ベクトルの方向については，確率が低いことにはの点において，このモデルが不完全であることが指摘

注意が必要である．原始惑星の衝突角度は，三次元的されるようになってきた[22]．その問題点は2つある．にランダムであり，形成される月の公転面は，地球の1つは，彼らの混合モデルには，物質の混合は考慮し公転面と垂直になる可能性の方が高い．したがって，ているが，円盤内での角運動量の輸送は考慮していな

形成直後の地球―月系が現在のように月の公転面が水い．差動回転する円盤中で半径方向に物質が混合する平となるような衝突は，実はまれなのである[11]．そ際に，角運動量が輸送されるかどうかは自明ではないの後の，太陽潮汐などで地球―月系の角運動量ベクトが，ほんの少しでも角運動量が輸送されると，円盤全ルが現在のような状態にまで進化するかどうかを検討

体が拡散するか，もしくは，円盤中のどこかで密度がする必要がある．

薄くなってしまい，その部分がボトルネックとなり地組成にはついてはどうだろうか．まず，観測的事実

球マントルと円盤との物質のやりとりが遮断されてしと調和的な部分について述べる．巨大衝突のシミュレ

まう．今後，角運動量が輸送されるかどうかも含めてーション結果からは，ばらまかれる円盤物質は，主に検討が必要である．2つ目の問題は，混合に要する時衝突天体のマントル物質であることがわかっている間である．彼らは円盤が100年かけて冷却し，そのあと，[16]．このことから，現在の月に大きな金属鉄コアが月の集積が始まるというモデル[23]に乗ったが，実際ないこととは矛盾しない．また，衝突によって解放さには，部分蒸発している円盤でも，蒸発していない円れるエネルギーは非常に大きく，円盤物質は全溶融し，盤物質が円盤中心面に沈殿し，1年足らずで月形成が一部蒸発するほど高温になる．また，円盤から月が集始まってしまうことがわかっている[24]．このような積する際に解放される重力エネルギーよって，月が全場合，地球マントルと円盤が同位体平衡になるまで十1080

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 2, 2010

分に混合する時間はない．

一方で月マグマオーシャンの深さには不確定性があり，また，そもそも，原始惑星の衝突で円盤そのものが今後の月探査で，月が完全溶融ではなく，部分溶融で形成しないのではないかという研究が和田らによってあったことが確実となれば，このことは巨大衝突説の報告された[25]．この研究以前の衝突シミュレーショ欠点となるであろう．そのためには，アポロ計画で設ンのほとんどすべては，SPH法といわれる粒子法を用置できなかった月の裏側に地震計を置き，月内部の状いたもので，形成された円盤の構造をしっかりと追う態を詳しく調べる必要がある．には解像度が悪かった．和田らは，この問題を克服す最後に，酸素同位体の制約についても注意が必要でるため，円盤を高解像度で計算することのできるメッあることを述べる．地球―月系，火星，隕石の酸素同シュ法を用いた．彼らの計算では，仮想的な状態方程位体が異なることから，少なくとも太陽系の内側領域式を使ったもので，完全とは言えないが，少なくとも，の酸素同位体が不均質でなんらかの傾向（例えば太陽衝突によって大規模に蒸発がおこり，円盤が気体的にからの距離）があると考えられている．しかし，地球ふるまえば，円盤中で衝撃波が発生し，円盤の角運動をつくった個々の材料物質の酸素同位体がどのような量が失われ，円盤物質の大半が数日という短いタイムバリエーションをもっていたかについてはわかっていスケールで地球に落下してしまうことが示された．今ない．さらに太陽系の内側領域の質量のほとんどは地後はより現実的な状態方程式をつかった同様の数値計

球と金星が占めており，金星については酸素同位体比算をする必要がある．

すらわかっていない．したがって，巨大衝突説で，円盤を介して同位体平衡になるのが難しいことから，地球に衝突してくる原始惑星の酸素同位体が地球と一致

4. 議論とまとめしなければならないという制約が，はたして本当に必観測的制約条件をもとに，4つの月の起源に関する要な制約なのかどうかは今のところ自明ではない．少仮説を検討してきた（表1）．慣例にしたがい，総合的なくとも，金星の酸素同位体比が計測されれば，なんに判断すると，いくつか克服すべき点はあるものの，らかの糸口は見いだせるのではないだろうか．

巨大衝突説が，有力であると言える．しかしながら，そもそも総合的な評価で優劣を決めて良いものなのか

謝 辞どうかは自明ではない．もし仮に，月の形成自体の制約が，他の組成的な制約よりもあまり重要でない場合，本稿は，月科学研究会（2009）とRISE研究会（2010）

例えば，月形成がなんらかの微妙な調整により可能でにおいて発表した月の起源に関するレビュー講演をもあり，形成確率が極めて低くても許されるならば，組とに作成しました．これらの研究会において，コメン成的な面でほぼすべての制約条件を満たす分裂説が有トをいただいた方々に感謝いたします．また，本稿を力となるであろう．また，巨大衝突説は，月が大規模投稿する機会を与えてくれた荒井朋子氏，査読により溶融したという制約条件を，一見満たすように思われ有益なコメントをしてくださった小久保英一郎氏，原るが，実はこの制約条件は巨大衝突説の欠点になりう稿のチェックをしてくださった後藤孝介氏に深く感謝る可能性がある．それは，前節で述べたように，巨大いたします．

衝突説で作られる月は，完全に溶融せざるを得ない．
4

表1： 仮説の評価

捕獲説
分裂説
双子説
衝突説

容易さ△×△△

大衛星△△△△

大溶融△△×○

揮発欠乏×△×○

コア小×○×○

O同位体×○○△

4. ○と×の項目については，本文中で述べた客観的な事実により容易に区別することができるが，△の項目については，できるかぎり客観的に判断を下したが，読者によっては，○もしくは×になるかもしれない．

徹底比較！月の起源／玄田文 献[1] Boss, A. P., 1986, Science 231, 341.
[2] Wood, J. A., 1986, in Origin of the Moon., 7.
[3] Canup, R. M., 2005, Science 307, 546.
[4] Warren, P. H., 1985, Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 13,201.
[5] 倉本圭 et al., 2007, 遊星人 16, 197.
[6] Hood, L. L. and Zuber, M. T., 2000, in Origin of theEarth and Moon, 397.
[7] Jones, J. H. and Palme, H., 2000, in Origin of the Earthand Moon, 197.
[8] Weichert, U. et al., 2001, Science 294, 345.
[9] Ohtsuki, K. and Ida, S., 1990, Icarus 85, 499.
[10] Stevenson, D. J., 1987, Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 15,271.
[11] Kokubo, E. et al., 2006, ApJ 642, 1131.
[12] Agnor, C. and Asphaug, E., 2004, ApJ 613, L157.
[13] Kokubo, E. and Genda, H., 2010 ApJ 714, L21.
[14] Mizuno, H. and Boss, A., 1985, Icarus 63, 109.
[15] Nakazawa, K. et al., 1983, The Moon and the Planets
28, 311.
[16] Canup, R. M., 2004, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 42,441.
[17] Ida, S. et al., 1997, Nature 389, 353[18] Kokubo, E. and Ida, S., 1998, Icarus 131, 171.
[19] Chambers, J. E., 2001, Icarus 152, 205.
[20] Abe, Y. et al., 1998, Origin Earth Moon Conf.
[21] Pahlevan, K. and Stevenson, D. J., 2007, EPSL 262,438.
[22] Melosh, H. J., 2009, 72nd Annual Meteoritical Society
Meeting.
[23] Thompson, C. and Stevenson, D. J., 1988, ApJ 333,452.
[24] Machida, R. and Abe, Y., 2004, ApJ 617, 633.
[25] Wada, K. et al., 2006, ApJ 638, 1180.

81