新たな研究により、土星の核に関する理解が深まりました。
それによると、土星の核は氷、岩石、金属性の流体が混ざり合ったものであり、科学者が「ファジー」な核と呼ぶものだとされています。
研究者らは、土星の環に生じる波動を用いて、研究と観測を進めました。
地震によって地球が揺れるのと同じように、土星の内部の振動によって、このガス惑星はごくわずかに揺れ動いています。そしてその運動が、土星の環に波動を生じさせます。
新たな研究が学術誌に掲載予定で、Nature Astronomyに発表されました。カリフォルニア工科大学の天文学者2名が、この波動を生じる環を分析し、土星の核に関する新たな情報を明らかにしました。研究では、NASAの探査機カッシーニが過去に取得したデータを用いています。カッシーニは13年間にわたって環を持つこの巨大惑星の周回を続けた後、2017年に惑星の大気へ突入し、崩壊しました。
この研究結果は、土星の核が、従来の一部の理論が主張していたような固い岩の塊ではなく、氷、岩石、金属性の流体が拡散して混ざり合ったもの、すなわち科学者が「ファジー」な核と呼ぶものであることを示唆しています。また、この分析により、核は惑星の直径の60パーセントにわたって広がっていることも明らかになりました。これは従来の推定よりも大幅に大きいものです。
「私たちは土星の環を巨大な地震計のように用いて、惑星内部の振動を測定しました」と、共著者のジム・フラー（カリフォルニア工科大学理論天体物理学助教授）は述べています。「ガス惑星の構造を地震学的に調べることができたのは、これが初めてであり、その結果は非常に驚くべきものでした」
「土星の波動を伴う環の詳細な分析は、土星の核の特性を推定するための、非常に優れた地震学的手法です」と、ジェニファー・ジャクソン（カリフォルニア工科大学地震学研究所鉱物物理学ウィリアム・E・レオンハルト教授）は述べています。ジャクソン教授は今回の研究には関与していませんが、地球の核の組成を解明するために別種の地震観測を用いており、将来的には金星で地震現象を検出できる可能性も研究しています。
本研究の筆頭著者は、フラーの研究グループに所属する惑星科学分野のポスドク研究員、クリストファー・マンコビッチです。
この研究結果は、土星のファジーな核を示す、これまでで最も有力な証拠となるものです。また、NASAのジュノー探査機による最近の観測結果とも整合しており、ガス惑星である木星も、同様に希薄化した核を持っている可能性を示しています。
「ファジーな核は泥のようなものです」とマンコビッチは説明しています。「惑星内の水素とヘリウムのガスは、惑星の中心に近づくにつれて、徐々により多くの氷や岩石と混ざり合います。これは、地球の海において、より深い層へ進むほど塩分濃度が高まり、安定した構造が形成される様子に少し似ています」
土星の振動が環に波動を生じさせ、それによって環を地震計のように用いて土星の内部を研究できるという考えは、1990年代初頭の研究に端を発します。この研究は、マーク・マーリー（1984年 理学士）およびカロリン・ポルコ（1983年 博士）によるものであり、ポルコ氏は後にカッシーニ撮像チームのリーダーを務めました。この現象の最初の観測は、2013年にマット・ヘドマンとP.D.ニコルソン（1979年 博士）によって行われ、彼らはカッシーニのデータを分析しました。天文学者らは、土星のC環に、土星の重力場の変動によって生じた複数の渦巻き状のパターンが含まれていることを明らかにしました。また、これらのパターンは、惑星の衛星との重力的相互作用によって環に生じる他の波動とは区別されるものであることがわかりました。
今回、マンコビッチとフラーは、環に生じる波動のパターンを分析し、揺れ動く土星内部の新たなモデルを構築しました。
「土星は常に揺れ動いていますが、その揺れはかすかなものです」とマンコビッチは述べています。「惑星の表面は1〜2時間ごとに約1メートル動きます。ゆっくりと波打つ湖のようなものです。地震計と同じように、環は重力の乱れを捉え、環の粒子がわずかに揺れ始めるのです」と彼は述べています。
研究者らによれば、観測された重力による波動は、土星の深部内部が全体として揺れ動きながらも、重い物質が惑星の中心へ沈み、その上の軽い物質と混ざらなくなった後に形成された安定した層で構成されていることを示しています。
「惑星の重力場がこれらの特定の周波数で振動するためには、内部が安定している必要があります。そしてそれは、惑星の中心に向かうにつれて氷と岩石の割合が徐々に増加する場合にのみ可能です」とフラーは述べています。
さらに、研究結果によれば、土星の核は地球全体の55倍の質量を持ち、そのうち17地球質量分が氷と岩石で、残りは水素とヘリウムの流体であることが示されています。
今回の研究には参加していないヘドマンは、次のように述べています。「クリストファーとジムは、ある特定の環の特徴が、土星の核が極めて希薄であることを強く示す証拠となることを明らかにしました。土星が生じさせる他のすべての環の特徴が、この惑星についてどのようなことを教えてくれるのか、考えるのが楽しみです」
さらに、今回の研究結果は、ガス惑星の形成に関する現行のモデルに課題を投げかけています。現行モデルでは、まず岩石質の核が形成され、その後大量のガスの外層を引き寄せるとされています。今回の研究が示すように惑星の核が実際にファジーであるならば、惑星はその形成過程のより早い段階でガスを取り込んでいた可能性があります。
Nature Astronomy誌に掲載された研究「A diffuse core in Saturn revealed by ring seismology（環地震学により明らかになった土星の希薄な核）」は、The Rose Hills Foundation および Sloan Foundation の助成を受けています。
