土星は古代の惑星だが、その環は恐竜と同じくらい古い

土星の環は太陽系で最も見事な光景の一つだが、その起源についてはいまだ解明されていない。しかし、2017年9月に寿命を迎えるNASAの探査機カッシーニが収集した最新の大量のデータにより、その謎は急速に変わりつつある。木曜日にサイエンス誌に発表された研究結果によると、土星の環は土星自体よりもはるかに若く、この巨大ガス惑星の年齢がおよそ45億年であるのに対し、環の年齢はわずか1000万～1億年だという。土星はその存在期間の大半において、大きな裸の赤ん坊のような存在であり、太陽系が環を形成したのは比較的最近のことである。

「ボイジャーとカッシーニの測定から、土星の環は土星とともに形成されたのではないという手がかりはすでにあった」と、ローマ・ラ・サピエンツァ大学の研究者で、この新しい研究の主執筆者であるルチアーノ・イエス氏は言う。「しかし、今や私たちは、ミッションの最終段階、つまりグランド・フィナーレでしか得られなかった、はるかに具体的な証拠を手に入れたのだ。」

彼が言っているのは、カッシーニの最後の日々のこと、つまり、宇宙船が土星系の13年間の軌道を最後の大騒ぎで終え、大気圏と環の間にある土星に6回接近潜水し、最後に大気圏に頭から突っ込んで、分解する前にできるだけ多くのデータを収集した日々のことである。

最後の段階では、カッシーニは土星とその環の周りの重力場を測定できるほど接近していました。測定の準備として、イエス氏と彼のチームは、土星の大きさと構成に関する既知の情報と予測に基づいて、重力場がどのようになるかを予測する詳細なモデルを作成しました。

「結局、それらのモデルはすべて間違っていたことが証明されました」と、カリフォルニア大学バークレー校の惑星研究者で、この新しい研究の共著者であるブルクハルト・ミリツァーは言う。「私たちはこの結果に完全に驚かされました。重力場は奇妙で、それが実際にどのように見えるのかまったく理解していませんでした。」土星の重力の引力は、環が示す引力の4000万倍であることが判明した。

重力場の測定から 2 つの大きな発見が明らかになりました。まず、異常な重力場を説明するには、赤道の周りに大規模な流れがあるに違いありません。そして 2 つ目は、リングの質量の推定値 (重力場の測定から得られた) から、リングの質量がこれまで考えられていたよりも小さく、色も明るいことが示され、これはリングの年齢が若いことを強く示唆し、リングがかつて現在よりも質量が大きかった可能性を示唆しています。

「リングの質量が重力で測定されたのは今回が初めてです」とミリツァー氏は言う。「密度波を使って測定する試みはこれまでにもありましたが、重力による測定の方がはるかに信頼性が高く、確実です。そして、土星で実際に測定されたのは今回が初めてです。」

重力場データからリングの質量を導き出すのは比較的簡単で直感的ですが、リングの質量からリングの年齢を導き出すのは、イエス氏が言うように、はるかに微妙です。隕石が時間の経過とともにリングを徐々に暗くすることはすでにわかっています。リングが最初から純粋な氷だったと仮定すると、リングの暗さから、リングに衝突した隕石の数を推定できます。そのデータをリングの質量数と組み合わせると、リングが現在の暗さに達するまでにかかった時間を決定でき、これによりリングの年齢と、リングが形成された時期のおおよその理解が得られます。

新たな発見は、リングがどのようにして形成されたのかを正確には教えてくれないが、研究チームは、土星系内で何らかの劇的で壊滅的な衝突が起こった可能性が高いと考えている。「何かが爆発して、今日見られる膨大な数のリング粒子ができたのです」とミリツァー氏は言う。リングが非常に若いことを考えると、「太陽系が形成されたときには起こらなかったのです」。偶然にも、リングが形成された時期（1000万年から1億年前）は、やはり衝突によって恐竜が絶滅した時期（6500万年前）と同じ時期だ。これらの出来事が何らかの形で関連しているかどうかはまったく明らかではないが、今回の新たな発見は、当時太陽系が何らかの異常な物体の激動と衝突の真っ最中だった可能性を示唆している。イエス氏はさらに、一部の同僚は今回の発見が、土星の内側の衛星ですら若い天体であるという考えを裏付けるのに役立つと考えていると付け加えた。

「チームがリングの年齢をこれほど正確に推定できたことに、私は喜びと驚きを感じています」と、この研究には関わっていないNASAゴダード宇宙飛行センターの天文学者、ジェームズ・オドノヒュー氏は言う。「リングがどのような大災害によって形成されたのかは不明ですが、恐竜が絶滅した頃にリングが形成されたという考えは、カッシーニ探査ミッションを締めくくるにふさわしい重要な成果です。その時期は、太陽系にとって特に活動の活発な時期だったようです！」

オドノヒュー氏は、新たな質量数値から、月と同じ大きさのものを作るには土星の環系が約 5,000 個必要になることが示唆されると付け加えた。しかし、環の中の岩石天体は地球の表面を 80 回以上覆うほどに広がっている。

「土星の環について知れば知るほど、環は脆く、はかないものであるように思えてくる」とオドノヒュー氏は言う。昨年、科学者たちはカッシーニのデータに基づき、土星の環はわずか3億年で消えてしまうだろうという予測を発表した。木星、天王星、海王星はかつてはもっと大きな環系を誇っていた可能性があり、土星の環系も同様に薄くなるだろう。

土星の環に関しては解明すべき謎がまだまだあるに違いない。カッシーニの功績は当分の間、増え続けるだろう。チームは、このミッションのデータをもっと活用して、土星内部の回転速度を正確に把握し、それが環の進化と挙動にどう影響するかを解明したいと考えている。また、土星の重力の小さな要素も測定しているが、その起源は不明だ。「私たちはこれを土星の重力の『ダークサイド』と呼んでいます」とイエス氏は言う。「この発見には本当に困惑しています」と彼は言い、その原因を突き止めたいとしている。土星の環は、この巨大ガス惑星が軌道上で誇示している唯一の宝物ではないかもしれない。