土星の環は本当に恐竜と同じくらい若いのでしょうか?

カッシーニ探査機は2017年9月15日、文字通り栄光の炎に包まれて消え去りました。土星の13年間の探査に終止符を打つため、意図的にこの巨大ガス惑星の渦巻く大気圏に突入しました。この墜落は、最後の数ヶ月にわたる激しい探査の後に起こりました。その間、カッシーニはグランド・フィナーレを披露しました。グランド・フィナーレとは、土星とその環の間を22回も突っ込む、センセーショナルで命知らずのダンスでした。

新しい視点はよくあることですが、今回の発見は驚くべきものでした。これまで惑星科学者たちは、土星の環の年齢は太陽系と同じくらい、つまり約45億年だと想定していました。しかし、環の奥深くに隠された宇宙からの手がかりにより、カッシーニ探査機の科学者たちはこの数字を大幅に修正しました。彼らは今夏、科学誌「サイエンス」に発表された論文の中で、環は太陽系ほど古くないと主張しました。環が出現したのは1億年以上前、恐竜が地球を闊歩していた頃のことです。

土星の環と恐竜の時代を結びつけるメディア報道が急増したことで、この新たな発見は瞬く間に世間の注目を集めることになった。「土星の環は何歳か」という検索語を入力すると、Googleで「1億10万年」という答えが返ってくる。

コート・ダジュール天文台の惑星科学者、オーレリアン・クリダ氏は、この断定的な宣言に驚きを隠せなかった。「環はまだ若いから終わりだと評価されたことに、少し腹が立ちました」と彼は語った。

彼をはじめとする懐疑論者たちは、環の汚染の物理的側面から環自体の起源に至るまで、この議論には多くの潜在的な問題があると指摘している。「環は若く見えますが、だからといって本当に若いわけではありません」と、宇宙航空研究開発機構（JAXA）の惑星科学者、兵頭龍樹氏は述べた。「まだ考慮していないプロセスがいくつかあるのです」

この仮説に対し、クリダ氏は9月にネイチャー・アストロノミー誌に寄稿した論評の中で、数々の不確実性を提示した。リングの年代が恐竜時代であるという主張は注目を集めるが、それは不快な現実を回避しているとクリダ氏は述べた。リングの年代を確固たる推定をするには、あまりにも多くの不確実性が存在するのだ。カッシーニの偉業にもかかわらず、「我々は、ボイジャー探査機が初めて土星を詳しく観測した約40年前と比べて、それほど進歩していない」と、コロラド州ボルダーにあるサウスウエスト研究所の惑星科学者ルーク・ドーンズ氏は述べた。

若い年齢を支持する人々は、自らの研究を堅持している。「刺激的な新しい結果が出るたびに、異論が唱えられる」と、カリフォルニア大学バークレー校の惑星科学者でサイエンス誌論文の共著者であるブルクハルト・ミリツァー氏は述べた。「進むべき自然な道なのです」

この議論は、環の年齢という狭い問いにとどまりません。土星の環の年齢は、凍った海を持つ生命が存在する可能性のあるエンケラドゥスを含む、土星の多くの衛星の理解に影響を与えるでしょう。そして、この議論は、ガリレオが400年以上前に初めて環に驚嘆して以来、人類が抱いてきた土星の環に関する究極の問い、「そもそも環はどこから来たのか？」への答えに近づくことにもなります。

体重計で測る年齢

地球の年齢は、岩石中の放射性物質の崩壊を利用して計算できるため、わかっています。惑星地質学者は、月や火星の岩石についても同様の計算を行っています。

アイダホ大学の惑星科学者マシュー・ヘドマン氏は、土星の環は主に氷の破片と微量の岩石物質で構成されており、この種の分析には適していないと述べた。つまり、年齢の推定は状況証拠に基づいて行う必要があるのだ。

その証拠の一部は塵から得られます。氷の輪を雪原に例えてみましょう。最初は清らかな状態でしたが、遠くから舞い込む煤によって徐々に汚染されていきます。雪の年齢を推定するために、科学者は煤の降下速度と、すでに存在する煤の総量を測定する必要があります。

カッシーニは宇宙塵分析装置を用いて、土星の環が岩石塵と有機化合物の混合物である暗色物質によって着実に汚染されていることを発見しました。この物質の大部分は、海王星の軌道より遠く離れたカイパーベルト（氷天体の起源）から微小流星体によって運ばれてきたものです。また、探査機カッシーニは、この煤けた物質が現在、土星の氷環の約1%を占めていることも発見しました。

リング内の宇宙すすの総質量を明らかにするために、研究者たちはリング自体の重量を測定する必要がありました。幸いなことに、カッシーニのグランド・フィナーレはまさにその機会をもたらしました。探査機がリングを通過する際に、各地点における正味の重力を正確に測定しました。重力場は物体の質量に依存するため、この偉業により、科学者たちはリング系全体の重量を直接測定することができました。

科学者たちは、この情報（すすの量と降下速度）に基づき、あの有名な雪原が汚れるまでには1000万年から1億年かかったと推定した。この研究結果は概ね好評だった。「現在、ほとんどの研究者は、リングが最近形成されたと確信しています」と、ローマ・ラ・サピエンツァ大学の航空宇宙工学の専門家で、本研究の筆頭著者であるルチアーノ・イエス氏は述べた。

しかし、汚染に関する議論は必ずしも完璧ではない。ドネス氏は、カッシーニ計画のチームが流入する汚染物質を分析しているにもかかわらず、正確な割合を確定していないことを指摘する。いくつかの学会発表では様々な数値が提示されているが、最終的な数値はまだ発表されていない。サイエンス誌に掲載された論文では、研究者たちはこれらの数値の一つを選び、若い環の年齢を算出した。しかし、この曖昧さが「大きな動揺を引き起こしている」と、NASAエイムズ研究センターの惑星科学者で、汚染物質の分析を行っているカッシーニ計画のチームメンバーであるポール・エストラーダ氏は述べている。

汚染率の変化は比較的最近になって現れた可能性もある。「ただ、現時点では衝突率が異常に高いだけかもしれません」とクリダ氏は述べたが、このような急上昇の原因は特定できない。テキサス州サンアントニオにあるサウスウエスト研究所の惑星科学者、トレイシー・ベッカー氏によると、理論上は、将来の土星探査ミッションで古い衛星から岩石の核を掘り出すことが可能で、そこには長年にわたる汚染物質のフラックスが保存されているという。しかし、そのようなミッションは数十年先のことになるだろう。

リングの暗化の背後にある物理学も完全には解明されていません。カイパーベルトから飛来する微小隕石は、リングの氷塊に非常に高速で衝突するため、衝突は小さな爆発のような現象となり、微小隕石の多くは氷に付着しないと示唆されています。このため、文献では微小隕石の10%が氷に付着して汚染するという、誤差要因が提示されています。

ドネス氏は、コロラド大学ボルダー校のダスト加速器研究所がこの衝突プロセスを再現し、汚染物質の持続力についてより正確な情報を提供できる可能性があると述べた。しかし、現時点では何も分からない。

クリダ氏の解説では、土星の環を若々しく見せるために、目立たない惑星洗浄機が汚染物質を除去している可能性も示唆されている。ボイジャー探査機の時代から、環から物質が土星の表面に降り注ぐことは知られていた。しかし、その物質が何でできているかは分かっていなかった。カッシーニは2つの別々の機器を用いて雨を測定し、どちらの機器も驚くほど氷の含有量が少なく、わずか24%であることがわかった。「環の95%以上が水でできていると測定されていることを考えると、これは非常に不可解です」と、宇宙航空研究開発機構（JAXA）の惑星科学者ジェームズ・オドノヒュー氏は述べた。「雨」は汚れを優先的に除去しているが、その理由は誰も知らない。

「リングを掃除している何かがある」とクリダ氏は言った。「それが何なのかは分からないが、もはや単なる推測ではなく、観察された事実だ」

クリダ氏は、微小隕石の衝突によって放出された氷はリングに再付着する傾向があり、放出された汚染物質は雨となって外に流れ出る可能性があると述べた。ベッカー氏は、氷がこのように再付着するかどうかに関わらず、汚染物質は衝突によって優先的に放出されていると推測している。また、兵頭氏は、エンケラドゥスの南極の間欠泉が水をさらに噴出させ、リングの汚染物質を薄めているのではないかと推測している。しかし、確かなことは誰にも分からない。

しかし、誰もが掃除が盛んに行われていると信じているわけではない。「物を汚すのは簡単ですが、掃除は大変です」とミリツァー氏は言う。

彼らはどこから来たのか

クリダ氏は、もし汚染説が正しいとしたらどうなるだろうか？リングが常に宇宙塵の流入に晒され、その年齢がせいぜい1億年だとしたらどうなるだろうか？そうであれば、リングがなぜ最近になって形成されたのかを説明する必要があり、これは難しい問題だと述べた。

まず、リングが何によって形成されたのか全く分かっていないため、特定の時点における起源を特定することは困難です。リングは、土星の重力潮汐によって引き裂かれた彗星の痕跡である可能性もあれば、彗星と氷の衛星の衝突によって生じたものである可能性もあるでしょう。あるいは、何らかの原因で複数の衛星の軌道が乱され、互いに衝突した結果である可能性もあります。

ミリツァー氏は、土星の氷のループへのサンプルリターンミッションによって、環の形成に使われた元の天体の残骸が見つかる可能性があると述べた。しかし、そのようなミッションは今のところ実施されていない。

第二に、太陽系の最初の10億年ほどは、原始惑星が絶えず衝突するピンボールのような大混乱でした。クリダ氏によると、現在では状況ははるかに安定しており、土星の環につながる壊滅的な衝突の可能性ははるかに低くなっています。ミリツァー氏によると、もし最近の大変動で環が形成されたとしたら、私たちの見方は劇的に変わるでしょう。それは、私たちの惑星周辺地域が、原始時代の混乱からまだ完全には脱却していないことを示唆するでしょう。

NASAジェット推進研究所のカッシーニ計画科学者リンダ・スピルカー氏は、土星の衛星の発達は環の発達とある程度関連しているため、手がかりは衛星にあるかもしれないと述べた。しかし、衛星自体の起源から年齢に至るまで、不確かな点も多い。

2016年のモデルでは、衛星の現在の位置を使って時間を遡って調べた結果、現在の環と内側の衛星のシステムは、約1億年前に2つの中型の衛星が衝突したときに形成された可能性があることを示唆している。

しかし、ドネス氏によると、このような衝突が現在見られる環を形成する可能性があるかどうかについては、現在も議論が続いている。例えば、2017年に発表された盛んに議論された研究では、今日の環を形成するには物質が不足していた可能性が示唆されている。「それはあり得ない」とクリダ氏は述べ、この二つの衛星の衝突がこれほど多くの衛星と環を形成できた唯一の方法は「魔法」によるものだと付け加えた。

「年輪が古いのか新しいのかという疑問は、いつか明確に答えが出るでしょう」とベッカー氏は述べた。しかし現時点では、双方に十分な証拠があり、「決定的な結論を出す前に、まだ議論すべきことが山ほどある」という。

過去は不明確ですが、未来はより確実に見えます。リングは永久に存在しているように見えますが、実際はその逆です。ハワイのマウナケア山頂の望遠鏡による観測では、リングから大量の物質が噴出しているのが確認されました。科学者たちは、これをカッシーニ探査機が検出した物質と合わせると、リングは1億年後には完全に消滅すると推定しています。

クリダ氏は、その驚異的な美しさで誰もが称賛する「天文学の象徴」である土星の環の寿命は尽きつつあるようだと述べた。多くの人と同様、彼も人類と環が共存していることは幸運であり、環が秘める秘密について議論する機会を豊富に与えてくれると考えている。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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