木星の「熱狂」が続く原動力が判明、それはこれだ！

我々の一般的な理解によれば、惑星が太陽に近いほど温度が高くなり、太陽から遠いほど温度が低くなるが、これは木星の場合意味をなさない。木星は太陽から非常に遠く、地球や火星よりも後ろに位置しているが、木星の上層大気の温度は実際には摂氏400度に達し、常に「熱っぽい」状態にあると言える。

太陽系の模式図、どれが木星か分かりますか？ （写真提供：veerフォトギャラリー）

この異常現象は50年間も学者を困惑させてきたが、最近の研究でついに「舞台裏の推進力」が発見され、混乱を招いていた「木星のエネルギー危機」に対する答えが示された。

木星のプロフィール

まずはその巨大さで有名な木星について知っておきましょう。

木星は他のすべての惑星の総質量の2.5倍の質量を持つ巨大なガス惑星であり、主に水素とヘリウムで構成されています。木星には多くの衛星があり、その中でもイオからカリストまでは晴れた夜空に望遠鏡で見ることができます。下の写真は、著者がオランダのデヴィンジェロにある望遠鏡で撮影した木星とその 3 つの衛星です。

（画像出典：著者提供）

木星は太陽系で最も強い惑星磁場を持ち、その磁気モーメントは地球の磁場の約 18,000 倍です。地球と比べると、木星は太陽から非常に遠く離れています。木星の軌道の長半径は5.204AUで、これは地球と太陽の間の距離の約5倍です。

「木星エネルギー危機」は50年間人々を悩ませてきた

直感的に言えば、太陽から遠い木星は地球よりも寒いはずです。受ける太陽放射の量に基づくと、木星の上層大気の平均気温は摂氏マイナス 73 度程度になるはずです。しかし、実際の測定値は400℃以上です。この説明のつかない異常な高温は、木星の「エネルギー危機」と呼ばれています。現在地球が直面しているエネルギー危機は、利用可能なエネルギーが枯渇しつつあることです。しかし、地球のエネルギー危機とは異なり、木星のエネルギー危機は「エネルギー（熱エネルギー）はあるがその源が見つからない」というものです。

木星の異常な高温は50年間人類を悩ませてきました。この期間中、困惑した学者たちは、この過熱したガス惑星の加熱メカニズムについて多くの仮説を提唱してきました。一部の学者は、測定によると大赤斑は周囲よりも実際に高温であるため、これは木星の超巨大嵐である大赤斑によって引き起こされたと考えている。

学者たちは、スーパーストームが下層大気に大量の擾乱を発生させ、それが重力波や音波の形で上方に伝播し、上層大気で熱エネルギーとして消散し、上層大気を加熱すると推測している。しかし、これらの推測のいずれも、木星の地球温暖化の完全なメカニズムを説明することはできません。

大赤斑が熱くなる様子の画像（画像提供：NASA）

スペクトル放射強度は、大赤斑が高温領域であることを示している（画像出典：Nature 536,190–192（2016））

木星の大気はオーロラによって焼かれている

最近、レスター大学のJ・オドノヒュー氏が率いるチームでは、複数の機器による木星の共同観測を実施しました。この観測の主な成果は、木星の大気の温度を高空間解像度で測定することによって得られたものです。研究チームは3つの機器を使用しました。ハワイのケック天文台では、近赤外線望遠鏡を使用して三水素陽イオンの発光スペクトルを観測し、温度を測定しました。木星の磁場と衛星「イオ」の観測には、NASAのジュノー探査機と日本のJAXAのひさき衛星が使用された。

下の図は温度分布の観測結果です。木星の南北のオーロラ領域では高温分布が見られ、極から赤道にかけては比較的低温が徐々に移行します。これは、木星の極地が上層大気の主な熱源であり、極地の熱が地球を横切って赤道域に伝わり、木星の上層大気全体を加熱していることを示しています。

木星の温度分布（画像出典：Nature 596, 54–57 (2021)）

これは、研究チームが木星の異常に高温な上層大気が北極と南極のオーロラ領域によって加熱されていることを確認したということであり（強調追加）、50年間私たちを悩ませてきた木星の異常に高温な上層大気の謎を解明したことになる。この結果は現在、科学誌「ネイチャー」に掲載されています。

木星のオーロラの背後にある「火山の月」

木星のオーロラはなぜあんなに強いのでしょうか？イオに聞いてみなければなりません。

木星自体は特殊な構造をしています。巨大なガス惑星であるため、太陽系で最も強い惑星磁場を持ち、その磁場内には非常に活発な衛星イオが存在します。イオの軌道は偏心軌道です。異なる軌道段階における潮汐力によってイオは異なる方向に伸び、内部構造に摩擦が生じ、活発な地質活動が引き起こされ、イオに何百もの火山が形成されます。

イオの火山噴火により、その周囲に中性ガスの外気圏が形成されるでしょう。ガス原子は木星の磁気圏内の電子や陽子と相互作用してイオン化し、荷電粒子を形成します。これらの荷電粒子は木星の磁場で加速され、高エネルギーの荷電粒子になります。一部の高エネルギー荷電粒子は木星の磁場に閉じ込められており、木星が地球の数千万倍の強さの放射線帯を形成するのに役立っている。下の図は、イオが木星の磁場内で高エネルギーの荷電粒子を生成するプロセスを示しています。

イオ、プラズマリング、木星の磁場（画像出典：Wikipedia：イオ（月））

これらの荷電粒子は、強い磁場に沿って木星の極地まで移動し、木星の大気圏に入り、定着した後、太陽系で最も強いオーロラを発生させ、大量のエネルギーを放出します。これらのエネルギーは、木星の表面の異常な高温の「エネルギー」源です。

木星のオーロラ（画像提供：NASA）

同じオーロラがあるのに、地球の両極はなぜこんなに寒いのでしょうか?

これを見ると、疑問が湧くかもしれません。これらも惑星のオーロラなのに、なぜ地球のオーロラはこれほど強力なエネルギーを持たないのでしょうか?

本質的な違いは、高エネルギー荷電粒子の供給方法の違いにあります。イオの火山と木星自身の超強力な磁場は、木星の磁気圏に高エネルギー荷電粒子を安定して大量に供給し、一方、地球のオーロラは太陽風（編集者注：太陽の上層大気から放出される超音速プラズマ荷電粒子流を指す）内の高エネルギー荷電粒子の注入から生じます。同時に、地球の磁場は比較的弱く、高エネルギーの荷電粒子を極まで輸送する能力は強くなく、極まで輸送される粒子の数は多くありません。

したがって、地球のオーロラの強度は木星のオーロラの強度よりもはるかに小さくなります。大気を大幅に加熱することはできず、地球の気候に大きな影響を与えません。地球は依然として両極では寒く、赤道では暑い。

地球の磁場が10倍強くなれば、固有磁場（編注：惑星内部で自発的に発生、維持、変化する磁場）が月の軌道を完全に覆うことができるようになる。同時に、月では火山の噴火が始まり、地球の放射線帯に大量の荷電粒子が注入されます。すると、地球の両極に非常に明るいオーロラが現れ、加熱効果により両極は赤道よりも高温になります。

地球のオーロラは国際宇宙ステーション（ISS）から撮影されました（画像提供：NASA）

モデル＋観察、惑星の未知の側面を理解する

地球以外の惑星については、あまりに遠すぎるという理由だけで、ほとんど何もわかっていません。遠く離れた惑星で起こっている物理的プロセスを説明しようとするには、「観測 + モデリング」という方法しかありません。

この記事で説明した研究プロセスは良い例です。実際、研究者らはこれまでの観測で、木星のオーロラ領域が高温領域であることを発見していたが、当時のモデルでは、木星の大気の緯度循環が極域の熱を隔離し、赤道域への拡散を防いでいると考えられていた。対照的に、大赤斑は赤道に近い位置にあります。この記事で説明されている共同観測では、1ピクセルあたり2度という前例のない解像度を使用して、熱が極に閉じ込められるのではなく、極の高温から赤道の低温へと徐々に移行していることがわかりました。この観測結果により、これまでのモデルでは説明できなかった現象が発見され、実際にモデルを改良する方向性が提案されました。

一方では、技術が発展するにつれて、機器はますます高い解像度を達成できるようになり、探査機はより遠くまで飛行し、さらには惑星に着陸してその場での探査も可能になる。一方では、観測データを収集して統合することでモデルがより完璧になり、機器では観測できないコーナーを予測して記述できるようになります。モデルと観測は、深宇宙探査とより多くの惑星の理解のための私たちの2つの目であると言えます。モデルは観察を導き、観察はモデルを改善します。

「木星エネルギー危機」には答えがあり、将来的にはその未知の側面を探求するのを待っている星がさらに増えるでしょう。あなたを長い間悩ませてきた宇宙の謎は何ですか?コメント欄であなたの好奇心を遠慮なく表現してください！

参考文献:

[1] O'Donoghue J、Moore L、Bhakyapaibul T、et al。極域オーロラによる木星の上層大気の加熱[J]。ネイチャー、2021、596(7870):54-57。

[2] オドナヒュー J、ムーア L、スタラード TS、他。木星の大赤斑の上層大気の加熱[J]。ネイチャー、2016年、536(7615):190-192。

[3] Lam HA、Achilleos N、Miller S、et al.木星の赤外線オーロラのベースライン分光研究[J]。イカロス、1997、127(2):379-393。

[4] 木星の大赤斑は巨大な熱源である可能性が高い：NASA

[5] 木星の磁気圏 https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere_of_Jupiter

著者: 張培金

所属: 中国科学技術大学

この記事はサイエンスパークで最初に公開されたもので、著者の見解のみを表したものであり、サイエンスパークの立場を表すものではありません。

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