Hf-W同位体進化から見たグランドタックシナリオにおける地球惑星形成のタイムスケールと平衡化過程の制約

Constraints on terrestrial planet formation timescales and equilibration processes in the Grand Tack scenario from Hf-W isotopic evolution.

• Nicholas G Zube
• Francis Nimmo
• Rebecca A Fischer
• Seth A Jacobson

抄録

グランドタックシナリオを用いた地球惑星後期降着の141個のN体シミュレーションを、ハフニウム-タングステン(Hf-W)同位体進化モデルと結合させて検討した。グランドタックシナリオでの降着は、木星の移動により惑星の表面密度が高くなるため、古典的な降着モデルに比べて惑星形成が速くなる。急速に成長した惑星胚はマントルのタングステンの放射性イングロウを経験しますが、タングステンの多くがターゲットマントルと完全に混合したインパクトコアによって除去されない限り、地球の測定値とは一致しません。物理的に地球に似た生き残りの惑星では、観測された地上のタングステン異常と一致する結果を得るためには、インパクターコアの平衡化率≥0.6が必要であることがわかりました（比較的大きな量のターゲットマントル物質との平衡化を仮定していますが、平衡化するマントルの量が少ない場合はさらに大きな量が必要です）。このようなコアの再平衡化の必要性は、大規模衝突時の流体力学的予測やハイドロコードシミュレーションとの整合性をとることが難しいため、この結果はグランドタック降着による急速な惑星形成には不向きであると考えられる。

We examine 141 N-body simulations of terrestrial planet late-stage accretion that use the Grand Tack scenario, coupling the collisional results with a hafnium-tungsten (Hf-W) isotopic evolution model. Accretion in the Grand Tack scenario results in faster planet formation than classical accretion models because of higher planetesimal surface density induced by a migrating Jupiter. Planetary embryos which grow rapidly experience radiogenic ingrowth of mantle tungsten which is inconsistent with the measured terrestrial value, unless much of the tungsten is removed by an impactor core that mixes thoroughly with the target mantle. For physically Earth-like surviving planets, we find that the fraction of equilibrating impactor core ≥ 0.6 is required to produce results agreeing with observed terrestrial tungsten anomalies (assuming equilibration with relatively large volumes of target mantle material; smaller equilibrating mantle volumes would require even larger ). This requirement of substantial core re-equilibration may be difficult to reconcile with fluid dynamical predictions and hydrocode simulations of mixing during large impacts, and hence this result disfavors the rapid planet building of Grand Tack accretion.