フィービーリングは月を赤くしましたか?

土星の最も神秘的なリングは、イアペトゥスとハイペリオンの表面を変容させる上で重要な役割を果たした可能性があります。

2015年にカッシーニが見た、土星のツートンカラーの月であるイアペトゥス。月の2つの半分は明らかに見えています。画像クレジット:NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute。

土星の3番目に大きい月であるイアペトゥスは、太陽系で最も奇妙な表面の1つを持っています。カッシーニレジオという名前の半球は暗く、わずかに赤みがかった色で、反対側の半球は真っ白です。さらに、反対側のアルベドはかなり高く、暗赤味がかった側よりもはるかに多くの光を反射します。この独特の矛盾は、3世紀前にジョヴァンニカッシーニによって初めて発見され、2007年に彼にちなんで名付けられたプローブによって詳細に撮影されました。

明るさの違いの主要な理論は、月の片側から時間とともに水氷が昇華したということです。これにより、半球のアルベドが変化し、その結果、表面温度が上昇して昇華が増加し、熱フィードバックループが生じました。カッシーニ宇宙船による最近の観測は、この仮説を支持しています。ただし、理論には1つのことが欠けています。このフィードバックループを開始する方法です。

カッシーニ画像のモザイクから作成されたイアペトゥスの円筒投影。画像クレジット:NASA / JPL-Caltech /宇宙科学研究所/ Lunar and Planetary Institute。

考えられる説明の1つが明らかになりました。おそらく、プロセスを開始する暗赤色の粒子は、別の天体、おそらく別の土星の月から来たものです。しかし、これは2009年まで、赤外線スピッツァー宇宙望遠鏡が驚くべき発見をしたときまで推測のままでした。土星のリングの25倍の巨大な物質の円盤です。続きを読んで、スピッツァーが見つけたもの、それがどこから来たのか、なぜそれがそんなに重要なのかを調べてください。

リングを1100万キロメートル幅にするにはどうしますか?

土星のリングシステムは、太陽系で最大であり、最も複雑です。それは、羊飼いの月によって維持される空のギャップによって分離された一連の明確な岩と氷のバンドで構成されています。明るいAリングは惑星から137,000 kmで終わりますが、48,000 kmまたは8.25の土星半径まで伸びる希薄なEリングを含む、より薄くて暗いリングがあります。

2017年に撮影されたカッシーニの土星の最終画像。いくつかの月にラベルが付けられていますが、非常に暗いです。画像クレジット:NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute。

主な環は、約1億年前に形成されたと考えられています。おそらく、潮力によって引き裂かれた月からです。ただし、いくつかの小さなリングが積極的に補充されているようです。たとえば、カッシーニのフライバイは、エンケラドスの氷の間欠泉がEリングを形成する小さな粒子を放出することを示しました。 2009年、別の月がリング素材の可能性のあるソースとして標的にされました。フィービーは、215の土星半径の半長軸を持つ偏心逆行軌道で移動します。

スピッツァー宇宙望遠鏡は、冷たい塵が最も見えるはずの波長である24および70μmで土星を撮像しました。観察は失望しませんでした。画像のモザイクでは、土星の半径が128から215の範囲にある大きな塵の輪と、厚さ40の驚異的な土星の半径が示されました。それは明らかに月の中心にあり、イアペトゥスの軌道をブラッシングするのに十分なほど内側に延びていました。モデルは、しかし、材料の大部分が惑星にそれほど近くに存在しなかったことを示しました。ヤペトゥスの軌道に到達するには、約870万キロメートルを旅しなければなりませんでした。それでは、どうしてこれが起こるのでしょうか?そして、なぜイアペトゥスの半分しか影響を受けないのでしょうか?

図1、Verbischer他2009.フィービーリングは、128〜180の土星半径のMIPSONというラベルのモザイクで最も顕著に見えます。大きい対角線は、単なる観察上の人工物です。

放出のプロセスは非常に明確に見えた:微小流星体への影響。岩の小さな破片がフィービーの表面に当たると、それらは地殻から氷とケイ酸塩の小さな粒子を放出し、月から逃げてその周りにほこりっぽいリングを形成します。しかし、噴出物はポインティング・ロバートソン効果と呼ばれるものを介して急速に広がりました。小さな粒子は太陽放射を吸収してから非対称に再放射するため、軌道角運動量が減少します。数千万年にわたって、これらの粒子はこの再放射のおかげでより低い軌道に落ちます。ポインティング・ロバートソン効果は、原始惑星系円盤の進化における重要な要素であり、リングシステムのようです。

月の軌道の異常な特性がなければ、この刺激的な素材はイアペトゥスを均一に覆います。まず、イアペトゥスは土星にしっかりと固定されているため、一方の半球は常に「リーディング」側であり、もう一方は常に「トレーリング」側です。第二に、フィービーは逆行軌道を持っています。つまり、土星の衛星のほとんどの逆方向に移動します。したがって、ダストリングも同様です。これは、リング粒子がヤペトゥスと衝突するとき、その先頭側でのみ衝突し、1つの半球を暗くし、そのアルベドを減少させることを意味します。

図4、Verbischer他2009. 2000年にわたる粒子運動の数値シミュレーションは、土星の周りの薄い青いリングで表される、イアペトゥスやタイタンの軌道に到達するためにリングがどのように成長するかを示しました。

分光法:問題と解決策

理論には問題がないわけではありません。主な問題は、フィービー、イアペトゥス、ハイペリオンの分光観測によって発見されました。これは、イアペトゥスと同じように赤くなった土星の小さな不規則な月です。フィービーとイアペトゥスはスペクトルの類似性を示します。これには、3μmでの顕著な吸収特性が含まれます。これは、両方の体に見られる炭化水素に起因する顕著な特徴です。

図3および8、Cruikshank et al。 2008. 3μmを中心とする吸収帯は、両方の月の赤外線スペクトルではっきりと見えます。多環式芳香族炭化水素(PAH)が原因であると考えられています。

2つの月に同じ物質が存在するからといって、ある物質が別の物質に運ばれたわけではありません。簡単な説明は、それらが単純に同様の環境で形成されたということかもしれません。これは、イアペトゥスがフィービーの最も近い隣人であるという事実によって裏付けられた考えです。しかし、フィービーとイアペトゥスは異なる場所から来たと考えられています。フィービーはおそらくカイパーベルトで形成された捕獲された小惑星であり、一方、イアペトゥスは土星の周りにその場で形成された。これは、月が形成された後に物質の移動が起こったという考えをさらに支持します。

図1、ブラッティ他2002年。

炭化水素や他の分子のスペクトル特性は良いニュースのように思えますが、すべての分光データが月が関連しているという理論をサポートしているわけではありません。たとえば、2000年代初頭(Buratti et al。2002)の3つの月といくつかの小さな月と小惑星のスペクトル分析は、0.4〜1.0μmの波長でのフィービーと他の2つの月の著しい違いを示しています。ハイペリオンとイアペトゥスの暗い部分は非常に似ています。フィービーの表面はそうではありません。一見、これは理論全体に対する明確な証拠のように見えますが、現在見られる変色の大部分が直接フィービー環からの堆積によるものではないと仮定すれば、困難は回避されます。

最初に、フィービーからの材料の転送によってキックスタートされたある種のサーマルフィードバックループに言及しました。イアペトゥスの主要な半球に最初に堆積した物質は、その氷の表面の大部分に落ちました。ほこりは低いアルベドを持っていました。つまり、ほこりに当たる光のほとんどを吸収します。これはそれを加熱します。その熱は塵に覆われた氷に伝達され、氷は昇華して、月のアルベドをさらに減少させます(Spencer&Denk 2010を参照)。

Hyperionでも同様のプロセスが発生する可能性があります。ただし、Hyperionは土星にしっかりと固定されていません。実際、その回転は非常に混oticとしているため、宇宙を転がり落ちます。これは、表面全体にほこりが付着し、均一に暗くなるはずであることを意味します。同じフィードバックループが発生する可能性がありますが、色とアルベドのこのような非対称分布は生成されませんでした。

図3、Verbischer他2009.このグラフは、リングのさまざまな高さでの放射強度を示しています。明るいスポットは背景の銀河です。

フィービー環がイアペトゥスとハイペリオンの奇妙な表面の原因であるという考えの証拠があります。また、サイクルが他の物質源によって開始されたという証拠もあります。リング自体は、サイズと質量をさらに正確に識別しようとするために、赤外線と光の両方の波長でまだ研究されています。それが変色の背後にあるメカニズムであるかどうかにかかわらず、それは-今のところ-土星の最大のリングのままです。