土星のFリングと羊飼衛星の起源を解明

2015年08月18日

神戸大学大学院理学研究科の兵頭龍樹さん(博士後期課程2年)と大槻圭史教授は、土星のFリングとその羊飼衛星が、土星衛星の形成過程の最終段階で、自然な副産物として形成されることを初めて明らかにしました。この研究成果は8月18日(日本時間)、Nature Geoscience電子版に掲載されました。

土星は太陽系では木星に次いで2番目に大きい惑星で、複数のリングと衛星を持つことで知られています。Fリングは1979年パイオニア11号が発見。幅が数万キロメートルに及ぶ主要リングの外側に位置する、幅数100キロメートルの細いリングで、内側にプロメテウス、外側にパンドラという2つの羊飼衛星を持っています。Fリングと羊飼衛星はその後、探査機ボイジャーやカッシーニにより詳細に観測されていますが、どのように形成されたか、その起源はこれまで明らかになっていませんでした。

兵頭さんと大槻教授らの研究を含む最新の衛星形成理論によると、かつて土星の周りに現在よりも多くの粒子を含むリングがあり、そこから拡散した粒子が集まって衛星が形成されます。この衛星形成過程の最終段階では、小さな衛星が近い軌道に複数形成されます。一方、カッシーニによる観測から、主要リング外縁付近にある小衛星は密度の高い核を持つことが示唆されています。今回、兵頭さんと大槻教授は、国立天文台が所有する計算機等を用いたシミュレーションを実施し、密度の高い核を持つ小衛星同士が衝突して部分的に破壊され、Fリングと羊飼衛星が形成されたことを解明しました。したがって、Fリングとその羊飼衛星は、土星衛星系の形成過程の最終段階で、自然な副産物として形成されたと言えます。

このようなリングと羊飼衛星の形成メカニズムは、同様なリングと羊飼衛星を持つ天王星にも当てはめることができ、今後太陽系内外の衛星系形成を解明する一端となることが期待されます。 兵頭さん(2015年4月よりパリ地球物理研究所で研究留学中)は「今回の研究により、現在の土星リングが衛星系の形成進化過程を反映した姿であることを明らかにすることができた」と述べ、大槻教授は「木星衛星系や火星衛星の探査計画が国内外で進められている中、惑星系形成過程を理解する上で重要な鍵となる衛星系の起源の解明に引き続き取り組んでいきたい」と述べています。

【左】土星の主要リング(NASA/PIA06077)
【中】主要リング外部領域とその外側に位置する細いFリング。画像中央から左上付近でFリングを挟むように並ぶ二つの衛星は羊飼衛星のプロメテウス(内側)とパンドラ(外側) (NASA/PIA12717)
【右】Fリングと羊飼衛星プロメテウス(内側)とパンドラ(外側) (NASA/PIA07712)。中図及び右図で土星は画面外の右方向に位置している。

土星のリング-衛星系を横から見た模式図。
【上】かつて土星の周りには現在のリングより質量の大きなリングがあり、粒子間の衝突や重力作用により外側へ広がっていった。
【下】土星から十分遠方まで広がると粒子はお互いの重力により合体し衛星が形成され、形成された衛星はさらに外側に移動する。この結果、リングの質量が大きい時に形成されたより外側の衛星ほど大きく、主要リングのすぐ外側では小さな衛星が複数形成される。

密度の高い核を持つ二つの衛星が、現在のFリングの位置で衝突した場合の結果を示す。衝突後、核は破壊されずに残って二つの羊飼衛星となり、ばらまかれた粒子のうち二つの衛星に挟まれた軌道に分布するものがFリングを形成する(原著論文の図を改変)。
掲載雑誌
Nature Geoscience
論文タイトル
"Saturn’s F ring and shepherd satellites a natural outcome of satellite system formation"
Ryuki Hyodo & Keiji Ohtsuki
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(理学研究科、広報課)