土星の奇妙な環

宇宙望遠鏡科学研究所より2023年4月1日

ベテランの天文学者は、土星の広大な環系が惑星の上層大気を加熱していることを発見したが、これは太陽系ではこれまで観察されたことのない現象である。 NASAのハッブル宇宙望遠鏡、カッシーニ探査機、ボイジャー1号と2号、国際紫外線探査機など、複数の宇宙ミッションから得られた40年分の紫外線データを分析した結果、研究者らは氷のリング粒子が土星の大気に降り注ぎ、加熱を引き起こしていることを発見した。 この画期的な発見は、惑星とその環の間の予期せぬ相互作用を浮き彫りにするだけでなく、この情報を使用して系外惑星の周囲にある土星のような環系の存在を予測する可能性も切り開きます。

The planet SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn is easily recognizable for its opulent ring system that can easily be seen through a small telescope. Astronomers have now found that the rings are not as placid as they look. The icy rings particles are raining down onto Saturn's atmosphere. This is heating the upper atmosphere. It took a collection of 40 years’ worth of Saturn observations, gleaned from four NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA planetary missions to come to this conclusion. Hubble Space TelescopeThe Hubble Space Telescope (often referred to as Hubble or HST) is one of NASA's Great Observatories and was launched into low Earth orbit in 1990. It is one of the largest and most versatile space telescopes in use and features a 2.4-meter mirror and four main instruments that observe in the ultraviolet, visible, and near-infrared regions of the electromagnetic spectrum. It was named after astronomer Edwin Hubble." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ハッブル宇宙望遠鏡の観測は、紫外線で収集されたすべての証拠を結び付けるために使用されました。 これらの結果は、同様の環系が他の星を周回する惑星を取り囲んでいるかどうかを判断するために適用される可能性があります。 それらの環は遠すぎて見ることができないが、惑星の紫外光分光法で手がかりが得られる可能性がある。

2021年9月12日にハッブルが見た土星では、初秋だった土星の北半球のバンドの急速かつ極端な色の変化が示されています。 バンドは、2019年と2020年の両方のハッブル観測を通して変化しました。特に、1981年にボイジャー2号探査機によって初めて発見された土星の象徴的な六角形の嵐は、2020年には区別することが困難でしたが、2021年には再びはっきりと明白になりました。ハッブルの土星の画像はキャッチします。南半球の冬の後の惑星であり、南極の長く残る青みがかった色合いで明らかです。クレジット: NASA、ESA、A. Simon (NASA-GSFC)、および MH Wong (UC Berkeley)。 画像処理: A. Pagan (STScI)

その秘密は40年間、人目につかないように隠されてきた。 しかし、NASA のハッブル宇宙望遠鏡と引退したカッシーニ探査機による土星の観測に加え、ボイジャー 1 号と 2 号探査機、引退した国際紫外線探査機のミッションを利用して、1 年以内にすべてをまとめるには、ベテランの天文学者の洞察力が必要でした。

発見: 土星の広大な環系が巨大な惑星の上層大気を加熱している。 この現象は太陽系ではこれまでに見られたことがありません。 これは土星とその環の間の予期せぬ相互作用であり、他の恒星の周りの惑星にも輝かしい土星のような環系があるかどうかを予測するためのツールとなる可能性がある。

決定的な証拠は、土星の大気中の高温水素のスペクトル線として見られる過剰な紫外線です。 放射線の急増は、何かが外部から上層大気を汚染し、加熱していることを意味します。

The most feasible explanation is that icy ring particles raining down onto Saturn's atmosphere cause this heating. This could be due to the impact of micrometeorites, solar wind particle bombardment, solar ultraviolet radiation, or electromagnetic forces picking up electrically charged dust. All this happens under the influence of Saturn's gravitational field pulling particles into the planet. When NASA's CassiniThe Cassini–Huygens Mission, generally called Cassini, was a joint mission between NASA, the European Space Agency and the Italian Space Agency to study the Saturn system. Launched in 1997, Cassin provided astronomers with a massive amount of data about Saturn and its rings, its magnetosphere, and its moons. Cassini reached the end of its journey in 2017 when it deliberately dived into Saturn's atmosphere, where it disintegrated like a meteor." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">カッシーニ探査機は2017年の任務終了時に土星の大気圏に突入し、大気の成分を測定し、多くの粒子が環から落ちていることを確認した。

「リングのゆっくりとした崩壊はよく知られていますが、それが惑星の原子状水素に与える影響は驚きです。カッシーニ探査機から、私たちはリングの影響についてすでに知っていました。しかし、原子状水素の含有量については何も知りませんでした。 」とパリ天体物理学研究所およびアリゾナ大学月惑星研究所のロトフィ・ベン・ジャッフェル氏は述べ、惑星科学ジャーナル誌に3月30日に掲載された論文の著者である。

これは、1980 年から 2017 年の間にボイジャー 1 号、カッシーニ、ハッブル宇宙望遠鏡という 3 つの異なる NASA ミッションによって検出された、持続的かつ予期せぬ過剰である水素からの放出である土星のライマン アルファ バルジを示す合成画像です。 -北半球の土星の夏の間に2017年に取得された紫外線画像は、惑星のライマンアルファ放射をスケッチするための参照として使用されます。 リングは、紫外線太陽光の反射がはるかに少ないため、惑星の本体よりもはるかに暗く見えます。 リングと暗い赤道領域の上では、ライマン アルファのバルジが、周囲の領域より 30 パーセント明るい、拡張された (30 度の) 緯度帯として見えます。 南半球のごく一部が環と赤道領域の間に見えますが、北半球よりも暗いです。 バルジ領域の北 (画像の右上部分) では、円盤の明るさは、ここでは参考のために示されている明るいオーロラ領域に向かって緯度に対して徐々に減少します (縮尺は異なります)。 オーロラ領域内の暗い点は、惑星の自転軸の足跡を表しています。特定の緯度と季節の影響で大気中に降る氷の輪の粒子が大気加熱を引き起こし、上層大気の水素がライマンアルファ太陽光をより多く反射するようになると考えられています。バルジ領域で。 環と上層大気の間のこの予期せぬ相互作用は現在、遠く離れた系外惑星が土星のような環系を拡張しているかどうかを推定するための新しい診断ツールを定義するために詳しく調査されています。クレジット: NASA、ESA、Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

「すべては特定の緯度で大気中に滝のように流れ込むリング粒子によって動かされている。それらは上層大気を変化させ、組成を変える」とベン・ジャッフェル氏は語った。 「そして、大気ガスとの衝突過程もあり、おそらく特定の高度で大気を加熱しているのでしょう。」

Ben-Jaffel's conclusion required pulling together archival ultraviolet-light (UV) observations from four space missions that studied Saturn. This includes observations from the two NASA Voyager probes that flew by Saturn in the 1980s and measured the UV excess. At the time, astronomers dismissed the measurements as noise in the detectors. The Cassini mission, which arrived at Saturn in 2004, also collected UV data on the atmosphere (over several years). Additional data came from Hubble and the International Ultraviolet Explorer, which launched in 1978, and was an international collaboration between NASA, ESA (European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">欧州宇宙機関)、および英国の科学工学研究評議会。

しかし、いつまでも残る疑問は、すべてのデータが幻想である可能性があるのか​​、それとも土星の実際の現象を反映しているのかということでした。

ジグソーパズルを組み立てる鍵は、ハッブル宇宙望遠鏡画像分光器 (STIS) からの測定値を使用するというベン・ジャッフェル氏の決定にありました。 土星の正確な観測は、土星を観測した他の 4 つの宇宙ミッションすべてからのアーカイブ UV データを校正するために使用されました。 彼は、STIS UV による土星の観測を、複数の宇宙ミッションや機器からの光の分布と比較しました。

「すべてが校正されたとき、スペクトルがすべてのミッションにわたって一貫していることがはっきりとわかりました。これが可能となったのは、数十年にわたって測定された大気からのエネルギーの伝達速度について、ハッブルからの同じ基準点があるからです」とベン氏は述べた。 -ジャッフェルは言いました。 「これは私にとって本当に驚きでした。さまざまな配光データを一緒にプロットしたところ、すごい、同じだということに気づきました。」

40 年にわたる紫外線データは複数の太陽周期をカバーしており、天文学者が太陽が土星に及ぼす季節的な影響を研究するのに役立ちます。 ベン・ジャッフェル氏は、多様なデータをすべてまとめて校正することにより、紫外線のレベルに差がないことを発見しました。 「いつでも、地球上のどの位置でも、紫外線の放射線レベルを追跡することができます」と彼は言いました。 これは、土星の環からの安定した「氷の雨」が最良の説明であることを示しています。

「私たちは、惑星の上層大気に対するこのリングの特徴付け効果の始まりにすぎません。最終的には、遠い世界の大気についての実際の特徴をもたらす、地球規模のアプローチを実現したいと考えています。この研究の目標の 1 つは、これを他の恒星の周りを回る惑星にどのように適用できるか見てみましょう。これを「外環」の探索と呼んでください。

参考文献: 「土星の上層大気における原子状水素の謎めいた豊富さ」Lotfi Ben-Jaffel、Julianne I. Moses、Robert A. West、Klaus-Michael Aye、Eric T. Bradley、John T. Clarke、Jay B. Holberg 著Gilda E. Ballester、2023 年 3 月 30 日、Planetary Science Journal.DOI: 10.3847/PSJ/acaf78

ハッブル宇宙望遠鏡は、NASA と ESA の国際協力プロジェクトです。 メリーランド州グリーンベルトにある NASA のゴダード宇宙飛行センターがこの望遠鏡を管理している。 ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所 (STScI) は、ハッブル科学の運用を行っています。 STScI は、ワシントン DC にある天文学研究大学協会によって NASA のために運営されています。