わあ、天文学の知識が増えました！ |第25号

未知の宇宙に立ち向かう、

人間は常に好奇心旺盛な子供です。

「わあ、天文学の知識が増えた！」 [第25号]

質問1:

ワンリン・ルイーズ [質問] リングのある星と、リングのない星があるのはなぜですか?

答え:

惑星の環について話すとき、人々が最初に思い浮かべるのは、おそらく独自のハローを持つ土星でしょう。やはりこのイメージは古典的であり、人々の心に深く根付いています。

土星とその環。これは私が自分で使っているデスクトップのスクリーンセーバーです。SpaceEngine / Xu Penghui によって生成されました。

確かなのは、太陽系の8つの惑星のうち、土星だけが惑星環を持っているわけではないということです。土星に加えて、木星、天王星、海王星にも独自の惑星リングがありますが、それらの惑星リングは比較的暗く、検出が困難です。対照的に、4つの岩石惑星（水星、金星、地球、火星）の周囲には惑星の環は発見されていません。

海王星の環の逆光写真。この写真は、1989年にボイジャー2号が撮影した2枚の写真から合成されたものです。海王星の環は非常に暗いため、写真を撮る際には明るすぎる海王星自体を視界から外す必要があり、両側の環は別々に撮影されました。 / インターネット

この違いの理由は何でしょうか?科学者たちは、惑星の環の形成は惑星自体の質量と重力に関係していると推測している。木星、土星、天王星、海王星などの質量が大きい惑星は、より強い重力を持ちます。一方では、これは惑星の環の形成の物質的基礎として、より多くの惑星間物質を引き付けるのに役立ちます。一方、質量と重力が大きいほど、ロッシュ限界半径は大きくなります。ロッシュ限界半径内では、衛星などの完全な恒星物質は惑星の潮汐力の影響下でその形状を維持できず、引き裂かれ、惑星を取り囲む破片物質の帯を形成します。土星の環を例にとると、土星の環は土星が自身の巨大な質量を利用して惑星間空間から物質を集積することで形成されたという推測があります。

もう一つの大きな推測は、土星の環は壊れた土星の衛星から生じたというものです。この推測の以前のバージョンでは、土星の環はミマスと同サイズの衛星から形成され、複数回の衝突の後に完全に崩壊した可能性があると示唆されていました。もう一つの新しい説では、この衛星は土星の形成期に土星に飲み込まれたが、飲み込まれる過程で、衛星の氷のマントル部分が徐々に衛星本体から引き出され、リング状の物質帯が形成されたとされている。長い進化の期間を経て、主に水の氷で構成される今日の土星の環が形成されました。

J1407b の巨大惑星リング、SpaceEngine / Web によって生成

しかし、新たな発見は、惑星の環の形成メカニズムが異なる可能性があることを示唆している。 2007年、科学者たちは恒星J1407の異常な通過を発見した。そして2012年、科学者たちは関連する観測データの詳細な解釈を通じて、太陽系外惑星J1407bとその惑星環の存在を確認した。驚くべきことに、この惑星には実際に半径 0.6 AU の惑星リングがあります。このような巨大なリングの半径は、明らかに惑星のロッシュ限界半径を超えており、科学者の観測データの解釈によれば、惑星のリング内に衛星が形成されているようです。これは、惑星のリングが惑星のライフサイクル全体（数十億年のタイムスケール）に比べて安定していない可能性があり、その形成と消失が動的なプロセスであることを示唆しています。

環を持つハウメア。画像のアスペクト比は圧縮されません。ハウメアは確かに卵形です。この画像はSpaceEngine/Internetによって生成されたものです

科学者たちは、惑星に加えて、いくつかの小惑星にも独自の環があることを発見しました。ハウメア、10199 ハウメア、2060 ハウメアなどの天体にもリング構造があることがわかっていますが、これらの小さな天体の重力は、近くにある他の天体を引き裂くほどではないことは明らかです。これらの発見は星のリングに新たなベールを投げかけ、星のリングの形成には未知のメカニズムがあるかもしれないことを示唆している。

[インテリジェントロボット: どうして私も...と聞かれましたね (ため息)]

質問2:

林秉国 [質問] 土星の環はどのようにして形成されたのでしょうか?重力によるものであるなら、なぜ隙間があるのでしょうか?

答え:

ここまで、惑星のリングの形成メカニズムについてお話ししてきました。ここでは主に土星の環の隙間の原因について説明します。

原因の一つは衛星軌道の共鳴です。軌道共鳴に関しては、最も典型的な例は、小惑星帯の小惑星の軌道長半径分布に対する木星の影響です。軌道周期が木星の軌道周期の整数比である小惑星は、木星の重力によって周期的に影響を受け、本来の軌道から引き離され、安定して動作できなくなります。この効果は土星の環にも存在します。有名なカッシーニギャップはミマスの「傑作」です。この隙間が存在する場所の軌道周期は、ミマスのちょうど半分です。

カッシーニの隙間、エンケの隙間、土星、SpaceEngine / G. Cataldo によって作成、2015 年

もう一つの原因は、衛星の直接的な清掃です。土星の環には土星の衛星も存在します。これらの衛星の中には、自身の重力を利用して軌道上の土星の環の物質を除去し、環の隙間を残すものもあります。エンケの隙間は土星の衛星土星によって一掃されました。

【知能ロボット：小さな衛星は食欲旺盛です～】

質問3:

外から見たヤンミン [質問] 土星の環の幅と厚さの比率になぜこれほど大きな差があるのでしょうか?

答え:

土星の環の幅は約10万キロメートル（さらに大きい可能性を示唆する研究もある）である一方、その厚さはわずか10メートルであり、その差は1000万倍近くある。なぜこのような大きなアスペクト比の違いが生じるのかを理解するには、土星の環が現在よりもはるかに厚かったらどうなるかを考えてみるとよいでしょう。

土星の環の現在の厚みが、例えば100～1000km増加し、環が衛星に集積しないと仮定すると、環は「ドーナツ」形状になるだろう。この円は土星の中心を中心として回転するため、「ドーナツ」の中心面の外側にある破片は必然的に中心面を定期的に通過することになります。さらに、「ドーナツ」内の材料はほぼ均等に分散されているため、これらの破片は中心面を上下に移動するときに衝突します。時間が経つにつれて、中心面の両側にある破片は衝突により互いの縦方向の速度成分を相殺します。最終的に、ほとんどの破片は中心平面上に軌道を集中し、非常に平坦な惑星リングを形成します。 (このプロセスには絵が添えられるべきでしたが、SpaceEngine には自然物を生成する機能がないため、描くことができません。そのため、エディタに絵を用意してもらう必要があります。括弧内の内容は後で削除することを忘れないでください。)

((இдஇ; ) 私も太く描けないので、ドーナツを数個入れてもいいですか？)

もちろん、惑星の環自体がそれほど厚くならないという特性に加えて、前述の土星の衛星のいくつかは、ある程度「羊飼い」の役割も果たし、土星の環が内側にも外側にも広がらないように、環の基本的な形状を維持しています。リング内の粒子の衝突により、惑星のリング自体は内側と外側に拡散する自然な傾向があります。リングの内側または外側に位置する衛星は、自身の重力を利用してリングの内側の粒子を外側に押し出したり、リングの外側の粒子を内側に押し出したりすることで、形状を維持するのに役立ちます。たとえば、土星の衛星プロメテウスと土星の衛星プロメテウスは、F リングの「羊飼い衛星」です。

プロメテウス、パンテオン、Fリング（2つの衛星の間の細い線）、SpaceEngine / SpaceEngineによって生成

[知能ロボット：ニャー〜]

質問4:

外から見たヤン・ミン [質問] 8つの惑星の中で、土星の環だけが土星と同じくらい大きいのはなぜですか？

答え:

環を持つ4つの惑星の中で、土星の環は確かに最大です。土星が太陽系全体で唯一、最大かつ最も明るい惑星環を持つ惑星である理由については、まだわかっていません（人類は惑星環についてほとんど知りません）。

他の惑星の環と比較すると、土星の環は、その主成分が塵や岩石の破片ではなく水の氷であるという点で独特であり、そのため環の反射率が高く、正面からの光からでも見やすくなっています (他の 3 つの惑星の環は、逆光の角度から写真を撮影した宇宙船によって確認され、発見されました)。さらに、カッシーニ計画の最終段階のデータによれば、土星の環はわずか1000万年から1億年しか経っていない可能性があり、形成されるにはそれほど長い時間ではない。私たちはたまたま、何億年もの間、土星の環が最も壮観な瞬間を捉えただけなのかもしれないし、ジュラ紀の恐竜でさえ、それを見る機会がなかったかもしれない（適切な観測手段を持っていたとしても）。

【知能ロボット：星体：時間と運命。】】

土星の大気圏に落ちていくカッシーニの画像/NASA

質問5:

ハッピーホーム【質問】なぜ地球には環がないのですか？

答え:

惑星の環の形成にはまず物質的な基盤が必要です。地球付近の惑星間空間は比較的「クリーン」であり、大量の塵、水氷、岩石の破片、その他惑星の環を形成できる物質は存在しない。第二に、外にある「巨人」と比べると、地球は単なる「小さなもの」です。質量が小さく、ロッシュ限界半径も小さい。もし土星ほどの大きさの惑星の環を地球に置いたら、地球はそれを保持することができないでしょう。これらの惑星の環の物質は、最終的に 1 つ以上の衛星に集まる可能性があります。現在、月は地球の周りの物質のリングから生まれたという仮説があります。最後に、地球には「庭の掃除」を手伝ってくれる天然の衛星、月があります。地球と月の間に惑星の環があったとしても、月は軌道共鳴によって環を徐々に消滅させてしまうため、環が安定して存在することは不可能になります。

しかし、何事も絶対的なものではなく、惑星の環の存在も同様です。地球と同じ岩石惑星である火星には、現時点では惑星の環はないが、将来も環がなくなるというわけではない。火星のロッシュ限界距離は約4,500キロメートルで、フォボスは現在火星の重力の影響を受けて火星に接近しており、最終的には数千万年後に崩壊に直面することになる。崩壊後、それは火星の惑星リングに変わり、火星の空を照らし続けるでしょう。

【インテリジェントロボット：スターリングは、欲しいからといって手に入るものではありません。】

火星の環の想像図/インターネット

質問5:

西月 [質問] 月が星の輪に分裂したら、地球はどのように見えるでしょうか？

答え:

まず、月が惑星の環に分裂するための条件を見てみましょう。

月をその場で粉々に砕こうとしても、現在の人類の力では不可能なので、最も可能性が高いのは、月に比べて小さくない異星の天体が月を粉々に砕いたというシナリオです。しかし、このようにして形成された惑星の環は十分に安定していません。月の軌道上にあるこれらの破片は、衝突後しばらくして再び集まり、新しい衛星を形成する可能性がある。なぜなら、月はもともと地球を周回する物質のリングから形成された可能性があるからだ。

したがって、2 番目の方法、つまり、月を地球のロッシュ限界まで引きずり込み、地球の重力を利用して月を粉々に引き裂くという方法を試すことができます。しかし、この方法も現在の人力では実現不可能です。なぜなら、地球からわずか 9,500 キロメートルの距離まで月を引きずる必要があるためです。これは、現在の地球と月の距離 380,000 キロメートルと比べると非常に近い距離です (この操作が失敗すると、地球と月が衝突する可能性があります)。

地球と月の間の通常の距離はこのようになります。 SpaceEngine によって生成された画像。 / スペースエンジン

しかし、月は地球からわずか9,500キロメートルしか離れていないのに... / SpaceEngine

地球から見ると、9,500キロメートルの月の大きさは恐ろしいほどです。 / スペースエンジン

しかし、何があろうとも（地球のOLでズルをしていたとしても）、私たちは月を地球のロッシュ限界に引き寄せ、それを完全な惑星リング（とりあえず「地球リング」と呼ぼう）に引き裂くことに成功した。この後何が起こるのでしょうか？

少し計算すればわかる結果ですが、膨大な量の月の物質が隕石となって地球に衝突するでしょう。月の質量を過小評価することはできません。土星の環のような巨大なものでさえ、「地球の環」は言うまでもなく、月の質量の1000分の1を超えることはありません。そのため、月の物質の大部分は小天体に変換されて表面に衝突し、前例のない大惨事となるでしょう。

「地球リング」のために地球を破壊するというのは、私たちが受け入れられる結果ではないようです。したがって、月が崩壊した後、「地球の環」を形成するために使用された物質の一部を除いて、残りの物質は何らかの重力プロセスによって惑星間空間に投げ出され、地球に直接衝突して害を及ぼすことはないと再び想定されます。次に何が起こるでしょうか?

宇宙から見た「地球の環」。 / スペースエンジン

まず、太陽の潮汐力により、潮汐現象は依然として存在しますが、満潮と干潮の振幅は以前よりも小さくなり、満潮と干潮の現象は消滅します。さらに、月の安定効果がなくなるため、地球の自転軸の傾きの変化はこれまで以上に劇的なものとなるでしょう。自転軸の傾きの変化が大きくなるとともに、「地球リング」が太陽光を遮り、地球の気候に変化をもたらすことになる。これらは地球の生態系に破壊的な影響を及ぼすでしょう。さらに、「地球リング」の追加産物として、隕石落下や流星の出現確率が大幅に上昇します。これは、地球が「地球リング」の質量を内側から徐々に「食べていく」ためです（カッシーニは土星でも同様の現象を観測しています）。しかし、おそらく「地球リング」が人類の技術に与える最も直接的な影響は、宇宙船の打ち上げに大きな障害をもたらすことである。「地球リング」の存在により、中低軌道上の衛星、宇宙船、宇宙ステーションは、これまで以上に宇宙ゴミに衝突されるリスクにさらされ、衛星群のネットワーク化、ナビゲーション、通信は前例のない困難に直面することになる。

夕暮れの空に巨大な「地球の環」が見えます。 / スペースエンジン

したがって、ジオリングによって地球は宇宙からも地上からもかっこよく見えるようになる一方で、地球上の私たちの生活は、月だけが存在していた時代と比べてそれほど良くはならないかもしれない。

【知能ロボット：さあ、演技を始めてください。】

少なくとも月があったときは、このように手に持つこともできた

「中国国家天文学」11月号

天文学の不思議知識シンクタンクの寛大な協力に感謝します / 徐鵬慧

科学評論/ ゴウ・リジュン

企画／黄正儀淮晨編集／淮晨ヌオヌオ

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