グランド・タック・モデル
グランド・タック・モデル (grand tack hypothesis) とは、「太陽から3.5auの軌道で形成された木星が、より内側の1.5auの辺りまで移動 (migration) し、さらに土星との軌道共鳴の影響を受けて反転し、現在の5.2auの軌道で停止した。」とする、惑星物理学における仮説である。木星の方向転換が、帆船が風上に向けて帆走する際に方向を変える「タッキング」と似ていることから名付けられた。
この木星の動きによって、円盤状に広がっていた数多くの微惑星が1.0auの辺りまで一掃されたため、火星を形成するために残された物質は限られたものとなった。また木星が現在小惑星帯（メインベルト）がある領域を2度横切ることで、小惑星は内と外に分散された。木星に一掃された微惑星同士の衝突によって生まれたデブリは、早い時期に太陽へと送り込まれたかもしれない。
グランド・タック・モデルでは、木星は形成後に2段階の移動、すなわち内側の半径1.5auの軌道への移動と、方向転換後の外側への移動を経るとされる。木星はおよそ3.5au辺りにある凍結線の近辺で形成される。木星は、ガス円盤の中で隙間を切り開いた後、Type II 惑星移動 (Type II migration) と呼ばれるガス円盤を伴う太陽方向へのゆっくりとした移動を経る。もし遮るものがなければ、木星はこの移動によって近年他の恒星系で発見されているホット・ジュピターのように、太陽の至近距離の軌道まで持っていかれるだろう。土星もまた太陽方向へ移動するが、木星より小さいため早く移動する、Type I 惑星移動 (Type I migration または runaway migration) と呼ばれる移動を経る。土星は木星と合流し、移動の間に木星と2:3の平均軌道共鳴の関係に置かれる。この時、木星と土星の作ったガス円盤内部の隙間が重なり合った状態となり、共に移動する2つの惑星の力関係が変化する。土星は、外側の円盤によって木星にかかるトルクを減少させる隙間の一部を部分的に切り開く。このとき2つの惑星に掛かるトルクの合計は、外側の円盤から受ける負のトルクを超える正のトルクが「内部リンドブラッド共鳴」によって生まれることによって正（外向き）へと変わり、2つの惑星はともに外側へと移動を始める。惑星間の相互作用が、ガスが隙間を通って流れることを可能にするため、外部への移動は継続される。ガスは、移動の間中惑星と角運動量を交換し、トルクに正の影響を与える。また外部円盤から内部円盤へと質量を移動させ、円盤のより外側へと2つの惑星が移動することを可能にする。内部円盤へのガスの移動はまた、太陽への落ち込みによって起こる内部円盤と外部円盤との質量の比率の減少を緩やかにする。内部円盤の太陽への落ち込みは、一方で内側からのトルクを減らすため、外部への2惑星の移動を終わらせる。グランド・タック・モデルは、木星が1.5auに達したときに内側への移動が反転すると仮定する。木星と土星の外側への移動は、円盤が外に広がるか散らされるかして力学的平衡になるまで続き、木星が現在の軌道の近くまで来たときに終えたと推測される。
この仮説は、太陽系の様々な事象に適用することができる。
木星のグランドタックは、火星を形成するのに必要な物質を制限することによって「火星問題」を解決する。火星問題とは、地球型惑星の形成に関するいくつかのシミュレーションに見られる不整合で、内部太陽系で供給される微惑星によって地球型惑星の形成が始まると、現在の火星の領域に0.5～1.0地球質量という、現実の火星の質量である0.107地球質量に比べて遥かに大きな惑星ができ上がってしまう、という問題である。木星の内側への移動は、物質の供給を抑え、微惑星を内向きに動かすことで1.0au以内に物質の狭く濃い帯を形成させ、火星の領域をほぼ空っぽにしてしまう。惑星の「胚」は狭い帯の中で速やかに形成される。そのほとんどは衝突と合体によって金星と地球という大型の地球型惑星を形成するが、一部は帯の外に拡散される。これら拡散された「胚」は、成長に必要な物質を奪われたため成長が遅くなり、小型の地球型惑星である火星と水星を形成する。
木星と土星は移動の間に、当初の軌道にあった小惑星をほとんど弾き出し、元の木星軌道の内側と外側由来の残骸を残す。木星の移動以前は、木星周辺の領域は太陽からの距離によって組成の異なる小惑星が存在していた。岩石質の小惑星が内側の領域を占有する一方で、より原始的な氷の小惑星が凍結線を超えた外側の領域まで占有していた。木星と土星が内側に移動することで、内部の小惑星の最大15%が土星軌道の外側まで散乱される。木星と土星は、反転した後にこれらの小惑星と初めて遭遇し、元の数の約0.5%程度を内側の安定軌道に戻す。木星と土星が外側の領域に達した後、原始小惑星の0.5％が外部小惑星帯へと散乱される。木星と土星との遭遇は、大きな離心率と軌道傾斜角を持つ小惑星を数多く残す。いくつかのケースでは、氷の小惑星が地球型惑星が形成される領域を横断する軌道で残され、地球型惑星と衝突することで惑星に水をもたらす。
太陽系に、太陽に近い軌道を持つスーパーアースがないのは、木星の内側への移動の結果によるものかも知れない。木星の内側への移動によって、微惑星は木星の平均軌道共鳴に捕らえられ、軌道は縮小され、その離心率は大きくなる。衝突の連鎖によって微惑星間の相対速度は、破滅的な衝突をもたらすのに十分なほど大きくなる。その結果生まれる微惑星のデブリは、ガス円盤に引き摺り下ろされ、太陽のほうへらせん軌道を描いて落ちていく。もし初期の太陽系にスーパーアースが存在したとしても、微惑星のデブリを軌道共鳴によって大量に捕らえ、太陽へ向かって運び去られてしまったに違いない。現存する地球型惑星は、木星の反転以降に残された微惑星から作られたのであろう。しかしながら、デブリがより大きな天体へと合体し、ガスの引き摺りが減らされれば、スーパーアースの太陽への移動は避けられたかもしれない。また原始惑星系円盤内に空洞があれば、スーパーアースの内側への移動は停止されただろう。
小惑星帯を跨ぐ巨大惑星の移動は、CBコンドライトの形成に繋がる衝突速度の急激な上昇を作り出す。CBコンドライトは、最初に生じた小天体が衝撃で溶融して気化した後、4.8 ±0.3 百万年ほどで結晶化した鉄/ニッケルのコンドリュールを含む、金属分に富む炭素質コンドライトである。これらの金属の気化には18km/s以上の衝突速度が必要だが、これは標準の降着モデルでの最大速度 12.2km/sを遥かに超える。しかしながら、木星の移動は金属を気化させるのに十分な衝突速度が生じる期間を50万年間作り出す。もしCBコンドライトの形成が木星の移動の結果であったとすれば、太陽系形成の後450～500万年に生じたであろう。
タイタンに厚い大気があり、ガニメデとカリストに大気がないのは、グランドタックと関連したそれらの形成時期によるものだろう。ガニメデとカリストがグランドタックの前に形成されたとすると、それらの大気は木星が太陽に近づく際に失われただろう。しかしながらタイタンが土星のType I 惑星移動を避け、大気が生き残るには、タイタンがグランドタックの後に形成されなければならない。
小さい火星は、内部太陽系全体で分配される微惑星によって始まる地球型惑星成長のシミュレーションのごく一部で作られる。もし木星と土星が現在の軌道にあったままでも地球型惑星の成長が起こるとすれば（例えばニース・モデルの不安定期後）、現在の火星軌道近くの微惑星円盤の局所的な枯渇は低質量の火星を作るのに十分である。微惑星の形成前に固体の物質が内部に移動することによってできる急な表面密度の特徴を持つ微惑星円盤もまた、小さな火星と低質量の小惑星帯を生む結果となる。「pebble accretion モデル」によれば、もしガス円盤が吹き飛ばされ、cmサイズの「pebble」が大きければ、太陽からの距離が遠くなるにつれて微惑星や惑星の「胚」への「pebble」の降着が著しく効率が悪くなり、火星のサイズを超えて天体が成長することを妨げ、小惑星帯を小質量のままとする。