土星はどんな惑星なのか
土星は太陽から6番目にあり、木星に次いで大きい惑星だ。平均直径は約11万6,000kmで地球の9倍を超え、質量は地球のおよそ95倍ある。それでも、土星全体の平均密度は水より低い。大部分が水素とヘリウムでできた巨大ガス惑星で、立つことのできる固体の表面はない。
土星は約10.7時間で1回自転する。この速い回転によって赤道付近が膨らみ、上層大気の雲と風は惑星を取り巻く帯をつくる。大気の下へ進むほど、水素は高い圧力で押し縮められて密度の高い流体になる。さらに深い内部には、岩石と氷の成分が混ざった核があると考えられている。
写真で真っ先に目に入る環は、この巨大な惑星系の一部だ。土星の重力が無数の環の粒子を軌道上にとどめ、多くの衛星の重力がその中に隙間や波をつくる。両者を分けて見ると、土星そのものは巨大な水素・ヘリウム惑星であり、環はその周囲を回る粒子がつくる別の構造だとはっきり分かる。
- 約11万6,000km 土星の平均直径
- 地球の約95倍 土星全体の質量
- 約10.7時間 土星が1回自転するのにかかる時間
- 約687kg/m³ 水より低い土星の平均密度
直径約28万kmの土星の環が、厚さ約10mしかないのはなぜか
土星の主な環は、外側の端から反対側の端まで約28万kmに及ぶが、その大部分は厚さ約10mしかない。環が一枚の硬い円盤ではなく、数え切れないほどの氷のかけらでできているからだ。粒子はそれぞれ土星の周りを回りながら互いにぶつかる。そのたびに上下方向の動きが弱まり、薄い平面の近くに集まっていく。
望遠鏡では環が滑らかな帯に見えるが、近くで見る姿はまったく違う。粒子の大きさは砂粒より小さいものから家ほどの氷塊までさまざまで、まれに山ほどの塊もある。土星に近い粒子ほど速く、遠い粒子ほどゆっくり回る。環全体がレコード盤のように一体となって回転しているわけではない。
- 直径約28万km 主な環の外側の端から反対側の端までの距離
- 大部分が約10m A・B・Cの主な環で代表的に観測される厚さ
- 22回 カッシーニが土星と最も内側の環の間を通過した回数
- 約1,000万～1億年前 2019年の環の質量研究が推定した、現在の主な環の形成時期
環の隙間や波はどうして生まれるのか
環は何千本もの細い帯と隙間に分かれている。ただし、隙間に粒子がまったくないとは限らない。ある距離で土星の衛星と環の粒子の公転周期が単純な比になると、衛星の小さな重力が同じ場所を繰り返し引っ張る。一度の力は弱くても、長く積み重なれば粒子を別の場所へ動かしたり、環に波を起こしたりする。
A環とB環の間にある広いカッシーニの間隙も、ミマスから繰り返し受ける重力の影響と関係している。環の中にある小さな衛星は周囲の粒子を押しのけて細い通り道を開き、別の衛星は細い環の縁の形を変える。つまり環の複雑な模様は氷の色だけでなく、見つけにくい小さな衛星の位置や重力まで教えてくれる。
環全体がいつも完全に平らなわけでもない。衛星の重力で生じた波や粒子の塊は、環の面から上下に盛り上がることがある。ただし、こうした局所的な構造とは別に、主な環の大部分の代表的な厚さは約10mだ。「環が薄い」とは、どの場所もまったく同じ厚さだという意味ではない。
土星の環は一つの物体ではない。大きさも速さも異なる氷のかけらが、それぞれの軌道を回りながら一緒につくる薄い円盤だ。
環は土星と同じ時期にできたのか
土星は約45億年前にできたが、今見える明るい主な環が、そのころから同じ姿だったとは断定できない。環の年齢を調べるには、まず環全体にどれほどの物質があるかを知る必要がある。質量が大きい環は外から塵が混ざっても長く明るく見えるが、質量が小さければ同じ量の塵でも早く暗くなるからだ。
2017年、カッシーニは土星と環の間の狭い空間を22回通過した。地球から探査機の電波を追い、速度のわずかな変化を測ると、土星と環がそれぞれ探査機をどれほど強く引いたかを計算できる。この方法で環の質量を求めた2019年の研究は、現在の主な環が約1,000万～1億年前にできた可能性が高いとした。
2023年には、環へ入ってくる細かな宇宙塵の量と、氷がどの程度汚れているかを分析した研究が発表された。その研究は、環が今の状態で宇宙塵にさらされてきた期間は数億年を超えにくいと結論づけた。二つの研究はいずれも、環が土星よりはるか後にできたという説明を支持するが、正確な起源と年齢をめぐる議論はまだ終わっていない。
環の粒子が壊れては再び集まり、汚れた部分を内側に隠している場合や、初めの環の質量が予想より大きかった場合には、古い環でも明るく見える可能性がある。したがって1,000万～1億年という値は確定した年齢ではなく、カッシーニによる質量測定と汚染モデルから得られた推定範囲だ。
環の物質はどこへ消えていくのか
環の氷や塵の一部は、絶えず土星へ向かって移動している。太陽光や周囲の荷電粒子の影響を受けた小さな氷の粒は、土星の磁力線に沿って大気へ落ちることがある。カッシーニも最後の接近飛行で、環から来た水やさまざまな物質が土星の赤道付近の大気へ入る様子を測定した。
研究者はこの現象を「リングレイン」と呼ぶ。現在測定されている流入速度が長期間続くと仮定すれば、主な環は今後数千万～数億年のうちに大きく減る可能性がある。ただし流入速度は粒子の大きさや季節、環の中の衝突によって変わりうる。この値は正確な消滅日を示す時計ではなく、環が今も物質を失っている証拠だ。
カッシーニはなぜ土星の大気へ入ったのか
カッシーニは2004年から土星と環、多くの衛星を調査した。任務の終わりが近づき、推進剤がほとんど残っていなかったため、NASAは制御できなくなった探査機が将来エンケラドスやタイタンに衝突する事態を避けようとした。この二つの衛星は生命が存在できる環境を調べる重要な場所であり、地球から運ばれた微生物で汚染しないことが大切だった。
任務チームはカッシーニをすぐに処分せず、最後の科学観測に活用した。探査機は土星と環の間を繰り返し通り、環の質量、土星の重力と磁場、大気へ落ちる環の物質を測定した。2017年9月15日、カッシーニはアンテナを地球へ向けたまま土星の大気に入り、信号が途切れるまでデータを送り続けた。
土星の写真では環をどう見ればよいのか
土星の写真に写る環を硬い飾りだと考えると、幅広い隙間や細かな波がなぜ生じるのか説明しにくい。無数の氷粒子が描く軌道だと考えれば、内側と外側で速さが異なり、衛星の繰り返す重力が隙間を開け、衝突が全体を薄く保つことが見えてくる。
環の明るさは年齢を推定する手がかりであり、大気へ落ちる物質は環が変わり続けている証拠だ。カッシーニの最後の飛行は環の質量と物質の移動を直接測り、この二つの問いを結びつけた。土星の環は永遠に同じ姿を保つ背景ではなく、今も形を変え、物質を失い続ける構造なのだ。
出典
- NASA Science — Saturn Facts
- NASA/JPL — Planetary Physical Parameters
- NASA Science — Cassini Rings Overview
- NASA Science — Cassini Grand Finale
- NASA Science — Cassini Ring Mass Result
- Science — Saturn’s Gravity Field and Ring Mass
- NASA Ames — Micrometeoroids and Ring Evolution
- Science Advances — Micrometeoroid Infall Constrains Ring Age
- NASA Science — Saturn Is Losing Its Rings