土星の輪と傾きは、引き裂かれて消えた1つの衛星が生んだのかもしれない

編集・パクト

土星といえば、あの美しいリングと、少し傾いた姿を思い浮かべる。だが、その象徴的な姿は、土星が生まれたときからずっとそうだったわけではないかもしれない。

およそ1億〜2億年前まで、土星にはもう一つ衛星があり、それが土星に近づきすぎて引き裂かれたことで、リングができ、傾きの謎も説明できるかもしれない——そんな仮説がある。

2022年、マサチューセッツ工科大学(MIT)のジャック・ウィズダム教授らが科学誌『Science』に発表した「クリサリス仮説」だ。

傾いた自転軸と、若すぎるリング。土星の二つの謎を、消えた一つの衛星で説明しようという仮説だ。

まず、土星が抱えていた二つの謎

謎その一——なぜ、こんなに傾いているのか

土星の自転軸は、公転面に対しておよそ26.7度傾いている。地球の23.4度に近い傾きだが、なぜこの角度なのかは長年の謎だった。

この傾きは、土星の首振り運動(歳差)の周期が、海王星の軌道が首を振る周期とほぼ同じになる「共鳴」によって生まれた、と考えられてきた。

カッシーニの観測で、最大の衛星タイタンが予想より速く土星から遠ざかっていることがわかり、タイタンの重力が土星の傾きを大きくし、共鳴を保ったのだろうと結論づけられた。

ところが、ウィズダムらがカッシーニ最終期の重力観測から土星内部の質量の分布(慣性モーメント)を求め直したところ、土星は共鳴の条件のすぐ外側にいる、という結果が出た。

共鳴で傾いたはずなのに、いまは共鳴の条件からわずかに外れている。ウィズダムらはまず、いまある衛星の軌道がかつて不安定になった可能性をシミュレーションで調べたが、見つからなかった。

そこで、衛星が一つ失われた場合を考えた。

謎その二——リングが、若すぎる

もう一つの謎が、リングの年齢だ。土星ができたのは約45億年前で、リングもそれくらい古いと考えられていた。

ところがカッシーニが最後の任務で、土星本体とリングのあいだを何度もくぐり抜けて質量を測ったところ、意外な結果が出た。

カッシーニの重力データから、リングの質量は小さいと見積もられた。リングは氷が主成分で、宇宙のちりに汚れて暗くなるには時間がかかる。

質量が小さければ汚れも少ないはずなので、リングは若いと推定された。

NASAによると、リングができたのは1000万年から1億年前と推定されている。推定であって、確定した値ではない。

太陽系の歴史からすればごく最近で、NASAは、リングが恐竜のいた時代にできた可能性があると説明している。

消えた衛星一つで、二つの謎を説明する仮説

失われた衛星クリサリス

この二つの謎を、たった一つの出来事で説明してみせたのが、ウィズダムらのクリサリス仮説だ。彼らは、かつて土星にもう一つ衛星があったと考えた。

名づけて「クリサリス」。英語で蝶のサナギを意味する言葉だ。ウィズダム教授は「蝶のサナギと同じように、この衛星は長いあいだ休眠していて、突然活動を始め、リングが現れた」と話している。

その大きさは、土星で3番目に大きな衛星イアペトゥスと同じくらいとされる。NASAによるとイアペトゥスの平均半径は約736キロメートルなので、直径は約1500キロメートルになる。

論文の計算では、クリサリスの質量はイアペトゥスの0.6〜2.0倍の範囲に入る必要がある。

クリサリスが存在し、のちに失われたとすれば、傾きとリングの若さという別々に見えた二つの謎を、まとめて説明できる。

これが仮説の中心だ。

タイタンが引き金を引いた

ここで関わってくるのが、土星最大の衛星タイタンだ。タイタンは今も、年に約11センチメートルずつ土星から遠ざかっている。

仮説では、タイタンが外へ移動するうちに、クリサリスはタイタンと軌道の周期が整数比になる共鳴に入り、軌道が不安定になった。

MITの発表によると、クリサリスは軌道の乱れる領域に入って、イアペトゥスやタイタンと何度か接近し、最後に土星に近づきすぎた。

なお、タイタンはこの出来事で生まれた衛星ではない。NASAは、タイタンの大気の窒素の比から、材料は太陽系の初期に、太陽を生んだ冷たいガスと塵の円盤の中でできたと考えられると説明している。

クリサリスは土星に近づきすぎて壊れた

土星の潮汐力に引き裂かれた

では、クリサリスはどうやって消えたのか。クリサリスは、別の衛星とぶつかったのではない。不安定になった軌道の果てに、土星へ接近しすぎて、土星自身の重力に引き裂かれたのだ。

後続の研究(2026年、ウィズダムらも共著)は、クリサリスの氷のマントルだけが土星の潮汐力ではぎ取られれば、いまのリングに近い質量と成分のリングができるかをシミュレーションで調べた。

その結果、最接近の距離が土星の半径の約1.07倍から1.53倍の間にあったときに限り、できると示した。

破片の1%が、リングになった

ウィズダムらの結論では、砕けたクリサリスの質量のおよそ99%は土星に飲み込まれ、残りの約1%がリングになった。

この破片が土星の周りに散らばり、円盤状に広がって、現在のリングになった、というのが仮説の筋書きだ。

クリサリスが失われると、土星の首振りの周期が変わり、海王星との共鳴から外れた。仮説では、いまの傾きは共鳴のあいだに大きくなったもので、共鳴が終わったあとも、ほぼその角度のまま残った。

論文の抄録では、リングの年齢が約1億年、クリサリスの軌道が不安定になった時期も約1億年前とされ、二つはほぼ合う。

カッシーニの観測が仮説の土台になった

カッシーニの最後の運用

この仮説を支えているのは、土星探査機カッシーニの観測データだ。カッシーニは2004年から13年間土星を回り、2017年に燃料が残り少なくなったため、最後の運用に入った。

「グランドフィナーレ」と名づけられたその運用で、カッシーニは土星とリングのすき間を22回通り抜けた。

この軌道からは、土星の重力場を細かく測れる。重力場からは、リングの質量と、土星の内部で質量がどう分布しているかがわかる。

カッシーニは最後の周回で土星の大気に突入し、2017年9月15日に運用を終えた。

データが仮説を可能にした

リングの質量からは「若い」と推定され、土星の内部モデルからは「共鳴のすぐ外側にいる」と計算された。クリサリス仮説は、この二つの結果を説明するために考えられた。

タイタンは、どんな衛星か

地表に液体をたたえた衛星

ここで、クリサリスの話に出てきたタイタンについて、NASAの説明を確認しておく。タイタンは太陽系で2番目に大きな衛星で、ガニメデより約2%小さい。

半径は約2575キロメートル(直径約5150キロメートル)で、水星より大きい。

タイタンには、地球と同じく窒素が主成分の大気がある。地表には液体があるが、その液体は水ではなく、メタンやエタンなどの炭化水素だ。

NASAによると、タイタンは地球以外で地表に液体があると知られている唯一の天体で、雲や雨、川、湖、海がある。

二つの謎と、タイタンの役割

つまり、クリサリス仮説が答えようとしているのは、「なぜ傾いているか」と「なぜリングが若いか」の二つだ。

タイタンは、仮説の中でクリサリスの軌道を乱す役を担うが、クリサリスから生まれた衛星ではない。

これは確定ではなく、検証の途中にある仮説

直接は見つかっていないクリサリス

最後に、大切な但し書きを。クリサリスは、望遠鏡で直接見つかった衛星ではない。

土星の傾きとリングの若さという二つの観測事実を、最もうまく説明するために、シミュレーションの中で理論的に要請された存在だ。

この仮説は科学誌Scienceに掲載されたが、確定した結論ではない。

ウィズダム教授自身、「なかなかよくできた話だが、どんな結果もそうであるように、ほかの研究者に検討してもらう必要がある」と話している。

後続の研究は、この仮説に二つの疑問があったと整理している。一つは、いまのリングの質量がクリサリスの質量の約1%しかなく、リングは数億年のあいだにそれほど軽くならない、という点だ。

もう一つは、リングの成分が氷に富むことと、岩石も壊れるほど土星に近づく必要があるという条件が合わない、という点だ。

ウィズダムらも加わった2026年のシミュレーションは、氷のマントルだけがはぎ取られる条件なら両方を満たせると示した。

リングの成り立ちには、ほかに、彗星が土星に近づきすぎて壊れたという説もある。