なぜ土星の衛星タイタンはひとりぼっちなの?その秘密が初めて解明される

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惑星形成のイメージ図/Credit: 名古屋大学
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  • ガス惑星の周囲に、巨大な衛星がひとつだけ残るメカニズムが判明
  • 惑星のガス円盤内でつくられた衛星は、重力により惑星に吸収されることが多い
  • 今回の研究で、惑星側に吸収されるのを防ぐ「安全地帯」が円盤内に発見される

現時点で82個見つかっている土星の衛星の中で、タイタンは圧倒的なサイズを誇ります。その大きさは、2番目に大きなレアの50倍に達するほどです。

一方で、土星とタイタンのように、なぜガス惑星が巨大な衛星をひとつだけ持ちうるのかについては、これまで謎のままでした。

これまでの研究では、巨大衛星が惑星の周りにできたとしても、木星のように複数できるか、あるいは惑星の重力によって吸収されるかして、ひとつだけ残るシナリオは不可能とされています。

ところが今回、名古屋大学、国立天文台科学研究部により、ガス惑星が巨大衛星をひとつだけ持ちうることについて、可能なシナリオが初めて提唱されました。

それによると、ガス惑星の円盤内に発見された「安全地帯」が大きく関与しているようです。

研究の詳細は、3月9日付けで「Astronomy and Astrophysics」に掲載されました。

Formation of single-moon systems around gas giants
https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/03/aa37192-19/aa37192-19.html

衛星が残らないのはなぜ?

土星のようなガス惑星における衛星は、惑星形成時にその周囲を回転する(ガスやチリの)円盤内で固体同士が寄り集まり、同時多発的に生まれます。

ところが、円盤内で衛星がタイタンほどの大きさまで成長したとしても、そのまま衛星として残るとは限りません。

それは重力によって惑星に飲み込まれてしまう可能性が高いからです。

円盤内のガスは時間とともに散逸していきますが、ガスが残っている間は、軌道の外側にあるガスが衛星を後ろ向きに引っ張ります。すると、衛星の公転スピードが落ち、そのまま惑星に吸収されてしまうのです。

これまで様々な衛星の形成理論が唱えられてきましたが、どうしても複数の衛星が残るか、惑星に吸収されるかしてしまい、一つだけ衛星が残るパターンが分かりませんでした。

衛星がひとつだけ残るシナリオがついに判明

衛星が円盤内のガスから受ける力は、ガスの「温度」に大きな影響を受けます。

しかし、先行研究におけるシミュレーションでは、円盤の温度が単純化されており、実際と異なる可能性があったのです。

そこで研究チームは、ガスやチリによる熱放射および吸収の影響を取り入れ、円盤内の温度状態(分布)をこれまでより精密に計算しました。

その結果、衛星が、円盤内の温度の異なるガスから力を受けることで、惑星に向かう移動を防ぐ「安全地帯」の存在が発見されたのです。

巨大衛星がひとつだけ形成されるメカニズムの模式図/Credit: 国立天文台

シミュレーションによると、安全地帯は、チリの影響で外側と内側の温度差が特に大きくなることが判明しています。

この急な温度差のおかげで、安全地帯に入った衛星は、軌道の内側と外側から受ける力に差が生じ、外側に押されることで惑星に落ちることなくとどまることができるのです。

そして、衛星が安全地帯の中で、円盤内のガスが散逸するまで生き残ることができれば、タイタンのような巨大衛星がひとつだけ残ることも可能だといいます。

この理論が、実際に土星とタイタンに適応できるか否かは、今後の研究で明らかになるとのことです。

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reference: cfca.nao / written by くらのすけ
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