木星の大赤斑は巨大ガス惑星の奥深くまで広がっている

木星の象徴的な渦巻く目、大赤斑は、地球を丸ごと飲み込むほどの持続的な嵐であり、さらに驚くべき発見をもたらしている。遠くから木星の深部を探査する科学者たちは、この宇宙のサイクロンが木星の大気圏まで約480キロメートルも広がっていることを発見した。

20年ぶりに木星を周回したNASAの探査機ジュノーに搭載された高感度機器を活用し、天文学者たちは重力とマイクロ波の測定を行い、大赤斑がこれまで考えられていたよりも深くまで広がり、より複雑な構造をしていることを明らかにした。彼らはこの研究結果を木曜日の科学誌「サイエンス」に発表した。

「これは木星の深部を垣間見る初めての窓です」と、サンアントニオにあるサウスウエスト研究所の天体物理学者、スコット・ボルトン氏は語る。彼はジュノー探査機の主任研究者であり、2本の論文のうち1本の著者でもある。「大赤斑を横から見るとパンケーキのように見えますが、私たちはパンケーキがもっと薄いと予想していました。」

ジュノーはスクールバスより少し大きいだけで、2016年から高度1万マイル強で周回している近隣最大の惑星に比べると小さく見える。しかし、その機体には、重力科学実験に必要なツールなど、多くの最先端技術が詰め込まれている。木星は惑星全体の密度が均一ではないため、惑星の重力のわずかな変動から、激しく揺れ動く内部を探ることができる。ジュノーは無線トランスポンダーを搭載しており、NASAのディープ・スペース・ネットワーク（地球上の無線アンテナ群で、さまざまな惑星間宇宙ミッションをサポート）から信号を反射する。返される信号の周波数がわずかに変化すれば、探査機の速度が変化したことを意味する。これは、探査機が上空を飛行している木星の特定の部分における重力の強さの高低によって生じる。これは、NASA のグレース衛星が地球の地表下の枯渇した地下水を測定する方法と似た概念です。

「摂動は非常に小さく、1秒あたり10マイクロメートルです。この機器でこれほどの精度を実現できたのは驚くべきことです」と、カリフォルニア州パサデナにあるNASAジェット推進研究所のジュノー科学者で、重力測定に焦点を当てたもう一つの新たな研究の著者でもあるマルツィア・パリシ氏は語る。

パリシ氏と同僚たちは、大赤斑の質量の大部分が木星の大気圏上層200～300マイル（約320～480キロメートル）に収まっていることを発見した。これは決して小さいとは言えない。もし地球上でこのような嵐が発生した場合、その高さは地表から国際宇宙ステーションの高度までの距離よりも高くなるだろう。

天文学者たちは、木星の大気の活動を地球の天候によく例えています。大赤斑は、史上最大級のハリケーンやサイクロンに例えることができます。（厳密に言えば、この巨大な嵐は反時計回りに回転するため、科学者たちはこれを反サイクロンと呼んでいます。）しかし、地球の天候は、その下にある海や陸地によって左右され、サイクロンを分散させる可能性があります。一方、木星は下層までガスでできています。「地球上で永久にサイクロンが存在するとは考えられません」とパリシ氏は言います。天文学者たちは、大赤斑が何世紀にもわたって存在し続けてきたと考えています。

科学者たちは木星の気象層について何が期待できるのか確信が持てなかったが、大気圏上層、つまり水が凝縮し太陽光が透過できる層に限定されるだろうと考える者もいた。しかし、彼らの発見はそうではなかった。「大赤斑が何であれ、それは私たちが水雲が形成されると考えていた場所よりも深くまで広がっています。私にとって、これはジュノー探査ミッションにおける最大の驚きであり、最も予想外のことでした」と、カリフォルニア工科大学パサデナ校の惑星科学者デビッド・スティーブンソン氏は述べている。スティーブンソン氏は今回の研究には関わっていない。

この発見は、ジュノーのもう一つの観測機器、マイクロ波放射計によってもたらされました。他の探査機からの写真では表面を垣間見ることはできますが、6つの異なるマイクロ波波長で測定することで、表面を透過し、タマネギの上から6層を剥くように、その下の異なる深さの雲層のスナップショットが得られます。ボルトン氏はこの観測機器を、食品中の水分子がマイクロ波を吸収することを利用して、水分を使って加熱する電子レンジに例えています。

木星は複数の波長のマイクロ波を放射しており、その一部は大気中の水とアンモニアに吸収されます。しかし、一部は大気圏を抜け出し、探査機によって検出されます。科学者が探査できる最も長い波長では、現在アクセス可能な最も深い水とアンモニアの層の一部を捉えており、大赤斑の証拠も見ることができます。最も深い層でも、上層よりも密度が低く温度も高いものの、サイクロンの形状を捉えることができます。この巨大な嵐は明らかに深い根源を持っており、木星内部と大気の間に何らかのつながりがあることを示唆しています。

「このデータは、巨大惑星の大気に対する私たちの見方を永遠に変えるでしょう」とボルトン氏は言う。木星の複雑な大気の循環と力学を研究する理論物理学者たちにとって、木星の嵐がどのように形成されるのかを解明するのは至難の業となるだろう。なぜなら、木星の嵐は地球上で最も極端な気象とさえ大きく異なるように見えるからだ。「科学者として、謙虚な気持ちになる経験ですが、予想外の新しい発見に関わることは喜びでもあります。それが楽しみの一部であり、私たちが研究を続ける理由です」と彼は言う。

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