土星の環はゆっくりと大気を温めている

永遠に秘密のままでいられるものなどありません。この異世界の謎は、40 年もの間、天文学者たちを逃れてきました。土星の特徴的な環系は、惑星の上層大気を加熱しています。NASA によると、この現象は太陽系では見られなかったもので、土星とその広大な環との予期せぬ相互作用は、他の恒星の周りの惑星が土星のような環系を持っているかどうかを予測するツールとなる可能性があります。

この研究結果は3月30日、惑星科学ジャーナルに掲載された。

土星の秘密が暴露された証拠は、土星の大気中の熱い水素のスペクトル線として見られる過剰な紫外線放射である。この放射の急増は、何かが外部から土星の上層大気を加熱し、汚染していることを示している。

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論文によると、最も可能性の高い説明は、土星の大気に降り注ぐ氷の環の粒子がこの加熱を引き起こしているというものだ。この粒子のシャワーの原因はいくつか考えられるが、微小隕石の衝突、太陽風からの粒子の衝突、太陽の紫外線、あるいは帯電した塵を巻き上げる電磁力などがある。さらに、これらすべてが起こっている間、土星の重力場が粒子を惑星に引き寄せている。

2017年、NASAの探査機カッシーニは土星の大気圏に突入し、大気の成分を測定し、多くの粒子が実際に土星の環から落ちてきていることを確認した。この新たな発見には、カッシーニのデータに加え、NASAのハッブル宇宙望遠鏡、ボイジャー1号と2号宇宙船、そして引退した国際紫外線探査ミッションによる観測結果が使用された。

「リングがゆっくりと崩壊していることはよく知られているが、それが惑星の原子水素に与える影響は驚きだ。カッシーニ探査機から、リングの影響についてはすでにわかっていた。しかし、原子水素の含有量については何も知らなかった」と、パリ天体物理学研究所および月惑星研究所の天文学者で共著者のロトフィ・ベン・ジャッフェル氏は声明で述べた。

「すべては、特定の緯度で大気中に流れ込むリング粒子によって引き起こされます。リング粒子は上層大気を変化させ、組成を変えます」とベン・ジャッフェル氏は言う。「さらに、特定の高度で大気を加熱していると思われる大気ガスとの衝突プロセスもあります。」

この結論に至るために、ベン＝ジャッフェルは、環を持つ惑星を研究した 4 つの異なる宇宙ミッションの紫外線 (UV) 観測記録をまとめた。40 年以上に渡るこれらのミッションの間、天文学者は測定結果を検出器のノイズとして無視した。2004 年にカッシーニ ミッションが土星に到着するまでに、同ミッションは数年にわたって大気の UV データも収集した。秘密を解読する追加のデータの一部は、ハッブル宇宙望遠鏡と国際紫外線探査機 (NASA、欧州宇宙機関、英国科学技術研究会議の国際協力で、1978 年に開始) から得られた。

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数十年にわたるデータの中で、そのすべてが幻影なのか、それとも実際に土星の本当の現象を反映しているのかどうかという疑問が残っていた。

鍵となったのは、ハッブル宇宙望遠鏡の撮像分光器 (STIS) で測定された測定値を使用するというベン・ジャッフェルの決断でした。土星の精密観測は、土星を観測した他の 4 つの宇宙ミッションすべてからアーカイブされた UV データの較正に役立ちました。彼は、STIS による土星の UV 観測を、複数の宇宙ミッションや機器からの光の分布と比較しました。

「すべてが調整されたとき、スペクトルがすべてのミッションで一貫していることがはっきりとわかりました。これは、数十年にわたって測定された大気からのエネルギー伝達率について、ハッブル宇宙望遠鏡から得た同じ基準点があるからこそ可能になったのです」とベン・ジャッフェルは語った。「私にとっては本当に驚きでした。さまざまな光分布データを一緒にプロットしただけで、わあ、同じだと気付きました。」

40 年間の UV データは複数の太陽周期をカバーしており、天文学者が土星に対する太陽の季節的影響を研究するのに役立ちます。このデータをまとめて調整することで、ベンジャッフェルは UV 放射のレベルに違いがないことを突き止めました。UV 放射のレベルは「いつでも、惑星上のどの位置でも」追跡できます。これは、土星の環から降り注ぐ安定した氷の雨が最善の説明であることを示しています。

この研究の次の目標には、他の恒星を周回する惑星にどのように適用できるかを調べることが含まれています。