天文学者らは、土星の環と最大の月は宇宙衝突後に形成された可能性があると述べている

土星の最大の衛星タイタンは、太陽系の奇妙なものの 1 つです。今回、研究者らはこの神秘的な衛星について、その形成方法など重要な情報を明らかにした。その答えは、土星の美しい環の起源にも光を当てるかもしれません。

濃い霧に覆われたタイタンは地球の約半分の大きさで、水星よりも大きく、その重力によって土星がぐらついたり傾いたりするほど巨大です。タイタンはまた、天文学者がこれまで考えていたよりも速い、年間 11 センチメートル (4.3 インチ) の速度で土星から遠ざかっています。最終的には、月がその軌道から完全に外れてしまう可能性があります。

しかし、タイタンの漂流軌道は、天文学者たちが土星とその 274 個の衛星の一部について解決しようとしている多くの謎の 1 つにすぎません。 2004 年から 2017 年にかけて土星系を探査した探査機カッシーニによって収集されたデータによって、多くの疑問が提起されています。

新しい研究は、タイタンの形成に関するこれまでの理論、カッシーニのデータ、コンピューターシミュレーションを組み合わせて、土星最大の衛星の起源に関する新たな物語を示唆しています。この研究は今月、オープンアクセス リポジトリ ArXiv で公開され、The Planetary Science Journal への掲載が受理されました。

「この論文では、これらすべてのことをまとめようとしましたが、約5億年前にタイタンと衝突した追加の衛星があり、実際にはタイタンの一部になったと提案します」と、筆頭著者でカリフォルニア州マウンテンビューのSETI研究所の研究科学者マティヤ・ズーク氏は述べた。 SETI は、惑星科学、生命の起源、地球外知的財産などのテーマを探求する非営利団体です。

この衝突により、土星の非球形衛星の中で最大のハイペリオンも発生した可能性があるが、これは直径の約5%でタイタンよりもはるかに小さい。この理論によれば、ハイペリオンはタイタンと失われた衛星との衝突によって生じた破片であるか、あるいは後にタイタンの軌道の周りに蓄積した破片から形成された可能性があります。

タイタンと失われた衛星の合体によって土星の環が形成された可能性もある、とズーク氏は述べた。 「この出来事から、タイタンはさらなる衝突によって内側の衛星の一部を生成し、それがしばらく後、おそらく1億年前にリングの形成につながった可能性がある」と同氏は述べた。

余分な月が「すべてを説明する」

研究者らは、土星の傾きに太古の衝突の明らかな痕跡を発見し、その環によって証明された。この巨大ガス惑星は、太陽の公転面に対して 26.7 度の角度で回転します。

カッシーニのミッション以前、天文学者たちは、隣接する海王星の軌道によって生じる重力の摂動が、時間の経過とともに土星の傾きを引き起こすと信じていました。

「宇宙での海王星の軌道にわずかな乱れがあります」とシューク氏は語った。 「惑星の軌道は巨大で、莫大なエネルギーを持っています。しかし、惑星の軌道は非常に小さいので、これら 2 つの動き、海王星の軌道と土星の軌道を組み合わせると、変化するのは土星の軌道です。」

しかし、カッシーニのデータは、2つの惑星が正確に同期していないことを明らかにし、欠けている要素を示しています。 2022年、天文学者らは、失われた衛星（彼らがクリサリスと名付けた）が土星の現在の傾きを説明できる可能性があると示唆した。かつては数十億年にわたって土星を周回し、土星と海王星の共鳴に貢献していましたが、約1億6000万年前、月は土星に近づきすぎて、土星の輪が形成され、その傾きが変化する出来事で砕け散りました。

Shook と彼の同僚はそのアイデアを洗練させました。彼らは、この出来事は単に月が土星を押しつぶして崩壊したのではなく、タイタンとハイペリオンの前駆体同士の衝突だったのではないかと推測している。 「私はそれを原始ハイペリオンと呼んでいますが、それは1,000倍も大きく、タイタンの小型版のようなものでした」とズック氏は語った。

この失われた衛星はタイタンと衝突し、その質量の大部分を失いましたが、この出来事はタイタンの軌道の漂流と土星の軌道を説明することになります。 「現在、土星はもう少しぐらついています」とシューク氏は語った。 「しかし、数億年前に遡ると、私たちがこれが起こったのを見たとき、その揺れは海王星と共鳴するのに必要な量よりもわずかに小さかったのです。そして、追加の衛星を追加すると、それが正確になります。そして、それがすべてを説明します。」

言い換えれば、失われた月の重力と質量によって土星と海王星の同期が保たれ、土星と海王星が現在わずかにずれている理由はその消滅だけで説明できるということだ。

この衝突により、ハイペリオンも現在の形、ギザギザの歪んだ岩石になったものになったとしたら、その軌道がタイタンの軌道と固定されている理由が説明されるでしょう。しかし、ハイペリオンがタイタンの前身の破片なのか、それともタイタンと融合した失われた衛星の破片なのかは不明だとズーク氏は言う。

研究によると、 土星の輪はこの出来事から何百万年も経ってから形成されたに違いありません。タイタンの拡張軌道は土星の内衛星の一部と相互作用し、互いに衝突するほどの範囲でそれらを乱した。結果として生じた破片の一部はリングとして残りました。

チュク氏によると、2月に発表された論文は、衝突クレーターの欠如に基づいてタイタンの表面が3億年前のものであることを示唆しており、衝突シナリオに信憑性を与えているという。

しかし、この理論を検証する最良の方法は、NASA の Dragonfly を使用することです。これは原子力を動力とする自動車サイズの回転翼船で、タイタンの表面上を飛行し、さまざまな場所に着陸して、搭載された機器でサンプルを収集して分析します。現在のところ、2028年に打ち上げられ、2034年末までにタイタンに到着することが計画されている。

‘それは複雑です’

NASAジェット推進研究所の上級研究員兼惑星科学者であるリンダ・スピルカー氏は、今回の研究には関与していないが、衛星の進化と土星系の環の起源は科学者たちを困惑させている興味深い謎であると述べた。

「親指は数億年前のものであるか、土星と同時に形成された可能性がある」とスピルカー氏は電子メールで述べた。 「この研究は、ハイペリオンと土星の環が土星の形成直後に形成されるという強力な証拠を提供します。」

同じく研究には参加していないアリゾナ大学の惑星科学名誉教授ウィリアム・B・ハバード教授によると、土星とその衛星は複雑な音楽時計のように、さまざまなビートや共鳴を伴って回転しているという。

ハバード氏は電子メールで、土星は太陽系の元の周波数に疑わしいほど近いが、正確には一致していない周波数で独楽のようにぐらつき、比較的最近に何らかの混乱が起こったことを示唆していると説明した。

「2022年の研究では、輪の形成に関与したクリサリスと呼ばれる絶滅した衛星が存在することが提案されたが、そのような出来事が起こる確率は残念なことに低かった」と研究者らは書いている。 「Zukらによる新しい研究は、このプロセスの変種であり、現存する衛星ハイペリオンが関与する可能性が高いことを示唆している。」

ロンドンのクイーン・メアリー大学の数学と天文学の名誉教授カール・マレー氏によると、ザック氏らによって提案されたシナリオは、科学者が今日見ている土星のシステムを説明する、複雑だが非常にもっともらしい一連の出来事を提供するという。マレーはこの研究には関与していませんでしたが、カッシーニ チームのメンバーでした。

天文学者らは長い間、土星系がその形成以来進化しているのではないかと疑ってきたが、変化の程度を詳しく説明することが常に問題となっていると同氏は電子メールで指摘した。

「これは『CSI：サターン』に似ています。何か異常なことが起こったという明確な法医学的証拠が得られています。しかし、カッシーニまでは事実上、犯罪現場のスナップショットを扱い、犯人の可能性を解明しようとしていただけでした。」

カッシーニの13年間にわたる詳細な測定と過去のデータを組み合わせた多くの遺産の1つは、タイタンの軌道が予想よりもはるかに速く移動しているという発見である、とマレー氏は付け加えた。

「土星系は、共鳴と呼ばれる、対の衛星の公転周期間に多くの数値的関係がある、力学主義者の楽園です。『複雑です』というのは、過去4億年にわたるこれらすべての力学関係を正しく説明していますが、著者らは、土星系を理解する上でタイタンの役割が極めて重要であると考えています。」

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