Saturn: Lord of the rings

The remarkable rings of Saturn

Billions of whirling particles of water ice

Theusterely beautiful rings of Saturn is so large and bright that you can see them with a small telescope.Of The ringsは、小さな望遠鏡で見られるほど、大きく明るい輪です。 また、土星の輪は、地球が太陽を回る黄道面に対して傾いているため、地球から見るとその形が変化する。 小さな望遠鏡で一瞬見えなくなる「端から」、大きく開いた「下から」、再び「端から」、そして「上から」と、環の形は次々と変化していく。 土星の公転周期である29.458年をかけて一周するので、約15年ごとにほぼ姿を消していくことになる。 最後の消滅は1995年に起こった。 暗いカッシーニ部で区切られた外側のAリングと中央のBリング、そして他の2つよりも透明な内側のC（クレープ）リングがある。 8351>

環の内側は外側よりも速く土星の周りを動いているが、これはすべて巨大で大きな天体の周りを回る小天体に関するケプラーの第三法則に基づくものである。 C環の内縁は5.8時間、より遠いA環の外縁は14.3時間で、土星のまわりを回っている。 土星は自転周期が10.6562時間なので、主環の内側は惑星の自転より速い速度で公転し、外側は遅い速度で公転している。

環の内側と外側で軌道の動きが違うということは、環が一枚の固いシートでないことを意味している。 環は無数の粒子からなり、それぞれが小さな月のように土星のまわりを回っているのです。 何十億というリングの粒子が土星の周りを回っている。 8351>

土星の環は平らで広く、信じられないほど薄い。 端から端まで測ると、3つの主環の幅は合計6万2千キロメートルで、惑星の半径6万3千キロメートルより少し広くなっている。 地球の上や近くから見ると、環はほとんど見えなくなっている。 厚さ1キロメートルほどに見えるが、これはゆがみ、波紋、衛星の埋め込み、薄く傾いた外輪などによる錯覚である。 ボイジャー2号に搭載された観測装置がリングを通過する星明かりをモニターしたところ、リングの縁は上から下まで10メートルほどしかないことがわかった。 紙1枚で土星の環の厚さを表すと、模型は2kmになります。

環の粒子は何からできているのですか？ 環は可視光線では明るく反射するが、赤外線では暗くて反射が少ない。 これは、粒子が冷たく、氷でできていることを示唆している。 しかし、その大部分は水の氷でできています。 A、B、Cリングの総質量は、土星の衛星ミマス（4.5×1019kg）とほぼ同じで、この質量は水の氷でできた粒子と矛盾しない。 リングは地上のレーダーに非常に反射しやすいので、その粒子はレーダーの波長である約0.1mと同等か、それ以上の大きさであることが分かっています。 ボイジャー1号と2号が環の後ろを通過するときに、環が電波を遮断する様子から、粒子の大きさの分布を割り出している。 この方法により、5〜10メートル以上の粒子や0.01メートル以下の粒子は著しく少ないことがわかった。 8351>

しかし、D、E、F、Gリングと名付けられた4つの追加のリングは、はるかに小さい、微細な氷の結晶で構成されています。 地上や探査機の観測で発見されたこれらの環は、いずれも非常に拡散的で、細く、ほとんど透明です。 8351>

パイオニア11号は、A環のすぐ外側にある非常に狭いF環を、高エネルギー粒子の吸収によって発見しました。また、ボイジャー探査機の画像はF環を非常に詳細に示し、その幅が数千から数万メートルであることを示しました。 しかも、1本のリングではなく、ボイジャー1号は細い筋が複雑に絡み合っているのを発見し、約9か月後にボイジャー2号が到着したときには、平らになっていた。 Fリングの粒子は、太陽に逆光で照らされると明るくなり、反射した太陽光では暗くなることから、その大きさも雪の結晶よりもずっと小さく、部屋のホコリに匹敵するミクロンサイズであることがわかっています

しかし、なぜこのリングはこれほど狭い境界を保つことができるのでしょうか？ 他の力がなければ、リングの粒子同士の衝突で粒子は広がり、土星に向かって内側に落ち、土星から外側に広がることで、より広く拡散したリングになるはずです。 パンドラとプロメテウスと名づけられた2つの小さな月がFリングを挟んでおり、それによってFリングの粒子がリングの狭い枠からはみ出さないようにしているのだ。 しかし、探査機ボイジャー1号と2号が近くで見たところでは、氷のような物質が何千もの環状に集まっていることがわかります。 リングレットは完全な円形のものもあれば、楕円形のものもあり、また、古いレコードの溝のように惑星に向かって螺旋状に広がっているものもある。 場所によっては、平らな環の平面がわずかに波打ち、その波打ちの頂点と窪みに、まるで池の水面を走る波紋のような環状の小島が見られます。 土星の重力と近傍の衛星の引力が組み合わさって、リングの粒子を再分配し、観測された多くの形状に集中させることができるのです。 近傍の小さな月は環の粒子に対して弱い重力しか及ぼさないが、特定の共振地点で何度も何度も引っ張りが繰り返される。 ブランコに乗った子供を、ブランコの同じ場所を優しく繰り返し押すことで、地上高く弧を描くようにできるように、外部の小さな月が軌道のたびに繰り返し引力を与えることで、思いがけない大きな摂動を与えることができるのである。 この効果と土星の内向きの重力の相互作用によって、リング粒子は反発したり引き寄せられたりして、リングレットのような局所的な集中状態に押し出されたり引き寄せられたりする。

しかし、既知の月との単純な相互作用では、土星のリングに見られる複雑な細部をすべて説明することに完全に成功しているとはいえない。 見かけ上の隙間は、完全に空っぽというわけではないのです。 例えばカッシーニ区画には、隣のリングと同じ大きさの粒子が、おそらく100個ほど存在しています。 隙間の中には、既知の共振位置に存在しないものや、検出された月が埋め込まれているものもある。 8351>

おそらく最も奇妙なボイジャーの発見は、スポークと呼ばれる長く暗い筋が、車輪のスポークのような形を保ちながら、リングを横切って放射状に伸びていることである。 このはかない特徴は短命ですが、頻繁に再生されます。 このスポークは、惑星と10.6562時間の周期で共回りしているBリングの最も密度の高い部分の近くに見られる。 しかし、土星の暗黒スポークの内側と外側もこの周期で惑星の周りを回っており、ケプラーの第三法則とニュートンの重力理論に明らかに反する一定の速度で回転しているのである。 もしスポークが環に埋め込まれた暗い粒子で構成されているならば、粒子は土星からの距離が増すにつれて減少する速度で動き、スポークはすぐに伸びて消えてしまうだろう。

ある仮説によると、小さな塵の粒子は、おそらく高エネルギーの電子との衝突の結果、帯電するのではないかという。 そして、電磁気的な力によって、帯電した小さな粒子が大きな環状体から浮き上がり、そのスポークが土星の回転磁場によって周囲にまき散らされるのだそうです。 奇妙に聞こえますが、重力に打ち勝つには微妙な力が必要なのです。

なぜ惑星には環があるのか

人は、環の粒子がずっと以前に蓄積されて、より大きな衛星になったと考えるかもしれません。 しかし、リングの面白い特徴、そしてその起源を知る手がかりは、大きな月と共存していないことです。 惑星の環は、常にその大きな衛星よりも惑星に近いところにある。

環は、惑星の潮汐力が大きな衛星を破砕して分裂するまで引き伸ばしてしまう内側のゾーンに閉じ込められており、同時に小さな天体が合体して大きな月を形成することも防いでいるのである。 1848年にフランスの数学者エドゥアルド・A・ロッシュ（1820-1883）がこのことを記述したため、環が存在するこの領域の外側の半径はロッシュ限界と呼ばれている。 内部強度がなく、密度が惑星と同じ衛星の場合、ロシュ限界は惑星半径の2.456倍、つまり土星では約14万7千キロメートルである。

そして土星の環はどこから来たのだろうか。 その起源には2つの説がある。 ひとつは、約46億年前に土星が誕生したときの物質がリングになっているというもの。 この仮説では、生まれたばかりの大きな土星を中心に、ガスと塵の扁平な円盤の中で、環と月が同時に生まれたと仮定しています。 2つ目の説は、かつて月だった天体などが土星に近づきすぎて、巨大惑星の潮汐力によってズタズタに引き裂かれ、環ができたとするものだ。 この場合、土星やその衛星、太陽系の他の多くの天体よりも後に環が形成された可能性があります。

天文学者は現在、土星の環は1億年未満、つまり土星の寿命の2％未満であると推定しています。 土星の輪のまばゆいばかりの輝きは、この若さを証明するものです。 土星のリングは、宇宙塵にさらされることなく、純粋な水の氷の粒子で輝いているのだ。 新雪が時間の経過とともに汚れていくのと同じように、リングもかなり古くなると黒っぽく見えるようになる。 計算では、土星の明るい環は1億年後には、天王星や海王星の古い真っ黒な環と同じ程度に、蔓延する宇宙塵によって黒ずんでしまう。 環に密度波を発生させるとき、近くの月が環の粒子から運動量を引き出し、ゆっくりと土星に向かってらせんを描くようになる。 AリングはやがてBリングに引きずり込まれ、約1億年後にはこの月とリングの相互作用によって、すべてのリングが崩壊するはずだ

ここで、土星のリングの2番目の説明に戻る。 それは土星の月の一つであったかもしれないし、太陽系の他の地域から侵入してきたかもしれない。 ロシュ限界の外側に衛星が形成され、潮汐力に引っ張られて内側に移動し、最終的に衛星が引き裂かれたのかもしれない。 先に述べたように、環の全粒子の質量は土星の比較的小さな衛星ミマスの質量とほぼ同じなので、環はそのような衛星、あるいはいくつかの小さな衛星から形成された可能性があると思われる。 結局、火星の衛星フォボスは、その潮汐力によって赤い惑星に否応なく引き寄せられ、海王星の最大の衛星トリトンもまた、その惑星に衝突するコースに向かっているのだ。