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土星の環ができたのは意外と「最近」だった?

  • 2018年1月12日
  • ナショナル ジオグラフィック日本版

 太陽系のなかでもとりわけ目を引く土星の環。だがその美しいリングは、土星が誕生した当時から存在していたわけではなかった。

 NASAが発表した最新の分析によると、環はこれまで考えられてきたよりも「最近」になってできたことを示唆している。恐竜たちが地球から空を見上げれば、薄茶色の土星の周囲にちょうど環が現れようとしている様子が見えたかもしれない。生まれたばかりの環は、今よりもはるかに巨大だったはずだ。

「当時の土星は、肉眼でも金星と同じくらいに輝いて見えたでしょう。楕円形であることも確認できたかもしれません」と、米SETI研究所のマティヤ・クック氏は語る。

 NASAの研究チームは、土星探査機カッシーニが収集した画像を分析し、環が形成されたのはわずか1億〜2億年前であるという計算結果を導き出した。地球上で哺乳類が繁栄する前の時代だ。

 土星自体が誕生したのは他の太陽系の惑星と同様45億年前だが、カッシーニの最後の観測によれば、環の起源がそこまで古いというのはまずありえないという。2017年9月に任務を終え、土星の大気圏に突入した探査機カッシーニのプロジェクト・チームは、この暫定報告を同年12月にアメリカ地球物理学連合の年次会議で発表した。

誕生の謎

 土星の象徴ともいうべき環は、太陽系の誕生とほぼ同時に形成されたと広く考えられてきたが、1980年代初めに探査機ボイジャーが土星をフライバイして以来、専門家の間でこの問題が議論されてきた。

 ボイジャーからのデータは、環の質量が小さいことを示唆していた。環の質量と古さは関係があるとされており、実際に土星の衛星ミマスの質量と比較するとわずかで、太陽系の外縁から飛んできた物質を数十億年分も吸収したほどではなかった。また、環がそれほど古いのなら、今もこれだけの明るさを維持しているのも不思議だ。つまり、土星の環はそこまで古くはなさそうであるということだ。

 ただし、環が比較的新しいものだとしても、それがどうやって形成されたのかを説明することが難しい。逆に、土星の誕生とほぼ同時にできたのなら、説明は比較的簡単だ。太陽系が誕生して間もないころ、天体はまるでビリヤードの玉のように太陽系のなかを飛び交っていた。土星の周囲でも衝突が繰り返し起こり、その衝撃で現在のような氷の環が形成されたといえる。

 太陽系が歳を重ねるとともに混乱は収まり、今では土星の環ができるほど巨大な彗星や隕石が飛んでくることはなくなった。

カッシーニが明らかにしたこと

 カッシーニは、探査の最終段階で土星と環の間を通過するという離れ業を成功させ、双方の引力を慎重に計測し、そこから環の質量を導き出そうとした。そのデータからは、やはり環にはミマスの40%ほどの質量しかないことが明らかになっている。だが、カッシーニが土星の内部を観測しようとしたところ、奇妙な重力の変則があるのを発見した。このおかげで、環の質量をはっきりと確定することができなかったのである。

「土星の内部には、何か誰にも理解できないとても奇妙なものがあります」と、NASAのジェフ・クジ氏は語る。

 現時点では質量がはっきりしなくても、太陽系初期に明るく輝く環が形成されたとすれば、その質量はミマスの5〜10倍でなければならなかったはずだが、実際のところそこまでの質量があるとは到底考えられないと、クジ氏やその他の専門家は指摘する。

 環が新しいことを示す根拠はそれだけではない。13年間土星系を観測したカッシーニは、土星系に降り注ぐ塵状の物質が30年前に考えられていたよりも多かったことを明らかにした。さらにこれらの物質の多くが、海王星の軌道の外側にある太陽系外縁からやってきていることもわかった。

「汚染問題は、思ったより深刻でした」とクジ氏。塵で汚れる環は、時を重ねれば重ねるほど明るさが失われるはずだ。つまり、環が年老いているなら、今ほどの明るさを保っているという説はますます信じがたい。

 カッシーニはこれらの塵を捕らえ、その量を数えることで環の年齢を推測した。その結果、カッシーニのチームは環の誕生を1〜2億年前と計算した。

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環はどうやって形成されたのか

 では、土星の比較的若い環はどうやって形成されたのだろうか。

 土星に衝突しそうな大型の彗星や隕石は、昔ほど飛んでこない。だが、外部からの物体ではなく、土星が自らの衛星を吸収したとしたらどうだろう。

 クック氏が作成したモデルによれば、土星は氷の衛星を何個も従えて、太陽の周りを数十億年間周り続けていた。ところが1億年ほど前のある日、太陽の重力が土星に最も近い衛星をいくつか揺り動かした。

 土星は太陽からはるか遠く離れているが、クック氏のモデルによると、軌道上のある地点で、小さな氷の衛星が太陽の重力の影響を受ける場所があるという。そこで太陽にちょっとした遊び心が芽生え、衛星の軌道をずらし、衝突させ、粉々に砕いたのではないかというのだ。

 その結果、土星の周囲に一時的に巨大な環が形成された。生まれたばかりの環は今よりも10倍も大きく、明るく輝いていた。

 クック氏の説が正しいとすれば、環だけでなく、衛星レアよりも内側にある衛星たちも、基本的にすべて最近になって生まれたということになる。古い衛星が衝突して砕け、土星が落ち着きを取り戻した後、現在のような衛星になった。タイタンやイアペトスなど、外側を回る衛星ははるかに古い。だがそうすると、間欠泉を吹き出すエンケラドスも新しく、生命が進化するには若すぎるということになる。

 また、エンケラドス、レア、ディオネ、ミマスの表面を覆う複雑なクレーターの地形が、かなり古く見えるという問題もある。

 新しいか古いかの結論を出すのはまだ難しいが、いずれにしろ土星の環が近い将来消えてなくなることはなさそうだ。クジ氏は言う。「とても安定していますから、これから先も長い間存在し続けると思います。ただ、時とともに輝きは失われていくでしょう」

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