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太陽系の最果て、冥王星では大気の崩壊が急速に進んでいる!? 大気圧のピークは探査機“ニューホライズンズ”が最接近したころ

2020年07月04日 | 冥王星の探査
太陽系の外縁部に位置する冥王星。
今回、冥王星が背景にある恒星を覆い隠す現象の解析から、冥王星の大気圧が2016年と比べて約20%も低下していることが明らかになりました。
冥王星では予想外のペースで大気の主成分である窒素ガスが表面に凝結する、大気の崩壊が進んでいる可能性があるようです。

氷の昇華により生成される冥王星の大気

太陽系外縁部のカイパーベルトに位置する直径2400キロほどの準惑星が冥王星です。

冥王星から太陽までの距離は約50億キロ。
地球と太陽との距離のおよそ30倍も離れた軌道を公転していて、太陽系探査において長らく謎に包まれた未踏のフロンティアでした。

なので、冥王星には多くの謎があり、その中でも不思議なふるまいをする大気の存在が大きな謎になっています。

冥王星の大気は、地表を覆う窒素を中心とした氷の昇華により生成されたと考えられています。

ただ、冥王星の公転軌道は、太陽系の他の惑星に比べて楕円の度合いが大きいんですねー

なので、表面の日射量も季節によって大きく変わっていきます。
その結果、表面にある氷の昇華と凝結のバランスも、季節によって大きく変わると考えられていました。

大気を供給するハート状の領域“スプートニク平原”

1989年以降、冥王星は太陽から遠ざかりつつありました。
にもかかわらず、冥王星の大気圧は1988年に大気が発見されて以来、2016年まで単調に上昇し続けていたんですねー

この謎の解明に大きく貢献したのが、2015年7月に冥王星を訪れたNASAの探査機“ニューホライズンズ”でした。
“ニューホライズンズ”は2015年7月に史上初めて冥王星へのフライバイ(接近通過)による観測を成功させている。
“ニューホライズンズ”は、大気の供給源である窒素の氷が“スプートニク平原”と呼ばれるハート状の領域に大量に貯留されているのを発見。

過去30年近く観測されてきた大気圧の上昇傾向は、この平原の日射量が増えてきたことで、表面の氷が昇華して大気に供給されたことが原因だと考えられるようになります。
太陽系の外縁部に位置する準惑星の冥王星。中央から下に伸びている白く滑らかな領域が“スプートニク平原”(Credit: NASA/JHUAPL/SwRI)
太陽系の外縁部に位置する準惑星の冥王星。中央から下に伸びている白く滑らかな領域が“スプートニク平原”(Credit: NASA/JHUAPL/SwRI)
“ニューホライズンズ”の探査結果から、冥王星の大気が今後どのような運命をたどるのかについて様々な仮説が提唱されています。

いくつかの理論モデルで予測されていたのは、2015年以降は“スプートニク平原”での日射量の減少に伴い、気圧の上昇が止まるか緩やかに低下するとというもの。

でも、これまでの観測結果では、気圧の上昇傾向にはっきりとした変化は見られず…
さらなる観測による検証が求められていました。

予想外のペースで進む大気の凝結

そもそも冥王星の大気は、どのように観測されてきたのでしょうか?

天文学者は探査機を送る前から、冥王星が背景の恒星を覆い隠す“掩蔽(えんぺい)”と呼ばれる現象を地上から観測し、大気の研究を行ってきました。

掩蔽される恒星の光は、冥王星本体にさえぎられる直前に、大気による屈折の影響を受けて折れ曲がります。

そのため、恒星の光は掩蔽の際に瞬間的に明滅することなく、ゆっくりと光が増減。
この増減の緩やかさを計測することで大気圧を知ることができます。
地上から見て探査機が惑星の背後に隠れるとき、または背後から現れるときに探査機から電波を発し、地上のアンテナで電波を受信。このときの周波数変化から、惑星大気の温度を測定する電波掩蔽観測という手法もある。
2019年7月17日、京都大学の研究グループは冥王星による“いて座”の恒星の掩蔽現象を観測。
冥王星の大気の様子を調べるため、掩蔽の観測データを詳細に解析しています。

観測に用いられたのは、ハワイのハレアカラ山頂に設置されている惑星大気観測専用望遠鏡“T60望遠鏡”でした。
掩蔽観測の概略図。冥王星の大気がレンズのような役割を果たして恒星の光が屈折し、冥王星の内側に回り込んでいる。(Credit: 有松亘/AONEKOYA、(枠内画像)東北大学)
掩蔽観測の概略図。冥王星の大気がレンズのような役割を果たして恒星の光が屈折し、冥王星の内側に回り込んでいる。(Credit: 有松亘/AONEKOYA、(枠内画像)東北大学)
観測から得られた恒星の光度変化を解析して明らかになったのは、2019年の冥王星(表面付近)の大気圧が、直前の観測結果(2016年)と比較して約21%も低下していること。

どうやら、冥王星の大気圧は“ニューホライズンズ”が最接近した2015年頃にピークを迎え、その後1年間当たりおよそ7%のペースで急速に低下しているようです。
過去の掩蔽観測(誤差棒つき黒丸)及び今回(誤差棒つき赤四角)から判明した冥王星の表面付近での大気圧の変化。大気が発見された1988年から2016年にかけてはほぼ単調に上昇していたが、2019年の観測結果は2016年と比較しておよそ21%も低下している。(Credit: Arimatsu et al. Astronomy & Astrophysics, 2020 を改変)
過去の掩蔽観測(誤差棒つき黒丸)及び今回(誤差棒つき赤四角)から判明した冥王星の表面付近での大気圧の変化。大気が発見された1988年から2016年にかけてはほぼ単調に上昇していたが、2019年の観測結果は2016年と比較しておよそ21%も低下している。(Credit: Arimatsu et al. Astronomy & Astrophysics, 2020 を改変)
これまでの理論モデルでは、“スプートニク平原”における日射量の減少に伴う大気圧の低下ペースは、せいぜい1年間当たり1%程度と予測されていました。

でも、今回の観測で分かった急速な気圧低下は、これまでの予測を覆すものになりました。
冥王星では、予想外のペースで大気の主成分である窒素ガスが表面に凝結して、大気の崩壊が進んでいる可能性があるんですねー

太陽系の果てにありながら数年間で劇的に変化している冥王星は、今後どのような変化を見せてくれるのでしょうか?

掩蔽の観測を続けていけば、冥王星の大気の特性が分かり謎が明らかになるはずですよ。


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2019年06月04日 | 冥王星の探査
○○○

なぜ、冥王星の内部にある地下海は凍結しないのでしょうか?

衛星のエウロパやエンケラドスなら木星や土星から受ける潮汐力が熱源になるのですが、冥王星には大きな熱源は無いはず…

今回、数値シミュレーションから示されたのは、地下にメタンハイドレートが存在していれば説明が可能だということ。
他にも、巨大な盆地や窒素の大気の存在も説明できるようですよ。


冥王星も地下に海を持っている

木星の衛星エウロパや土星の衛星エンケラドス。

これら氷を主成分とする氷衛星のいくつかには地下に厚い氷があり、その下に“地下海”と呼ばれる凍らない海を持つことが、惑星探査機やハッブル宇宙望遠鏡による観測などから明らかになっています。
  この地下海には生命が存在している可能性があると考えられている。

ただ、地下海が存在しているのは巨大ガス惑星の衛星だけではありません。
地表温度がマイナス220度と極寒の氷天体である冥王星にも地下海が存在していることが、NASAの探査機“ニューホライズンズ”の観測データから示されているんですねー

冥王星のハート型模様に見える地域の左半分は、窒素の氷河で覆われた白い巨大な盆地になっています。

この盆地が赤道付近に存在するということが示しているのは、盆地の地下の氷が薄く地下海が厚いということ。
厚い地下海が存在していなければ、この盆地は極に向かうように冥王星が回転してしまうそうです。
○○○
(左)冥王星の自転軸、赤道、軌道方向の関係。
白いハート型は赤道付近にある。
(右)地形データを元に作成された冥王星表面の高度図。
ハート型の左半分は周りよりも高度が低く盆地になっている。


なぜ海は凍らない?

それでは、氷衛星よりも冷たく熱源にも乏しい冥王星の地下海がなぜ凍結しないのでしょうか?

この謎について、北海道大学の研究チームは新しいアイディアを提唱。
主にメタンを閉じ込めたガスハイドレートが、地下海と氷地殻の間に存在しているとして、数値シミュレーションを行っています。

水分子でできた“かご”の中に気体分子を閉じ込めた氷のような物質がガスハイドレートです。
  特にメタンを閉じ込めたメタンハイドレートは地球の海底にもあり、
  天然資源として近年注目されている物質。


研究チームでは、メタンハイドレートが通常の氷と比べて、熱伝導性が悪く高い粘性を持つことに注目します。
○○○
今回のシミュレーションで用いた冥王星内部構造のモデル。
氷の厚い地殻と地下海との間にメタンハイドレート層が存在する。
まず、行ったのが、太陽系が形成されてから現在までの約46億年間に及ぶ冥王星内部の熱・構造進化シミュレーション。

メタンハイドレートが存在しない場合は何億年も前に地下海は完全に凍結するのですが、メタンハイドレートが存在する場合には断熱材として機能し、表面は極寒でも地下海はほとんど凍結しないことが分かります。
○○○
冥王星内部の熱・構造シミュレーションの例。
横軸は時間経過、縦軸は冥王星中心からの距離、色は温度を示す。
(左)メタンハイドレートが存在しない場合、地下海は10億年ほど前に完全に凍結してしまう。
(右)メタンハイドレートが存在する場合、地下海は凍結しない。
また、氷地殻の厚さが均一化するのにかかる時間も算出。
すると、メタンハイドレートが存在しない場合には100万年程度、存在する場合には10億年以上もかかることが分かります。

盆地の地下にある薄い氷の下にある厚い地下の海は、長期間維持できるようです。


地下に海を持っている天体は特徴的な大気構成をしている

地下にガスハイドレート層が存在すると考えると、もう一つ説明がつくことがあります。

それは、冥王星の大気に窒素が多く一酸化炭素が少ないこと。
メタンや一酸化炭素はガスハイドレート層に取り込まれやすく地表にあまり出ませんが、窒素分子は取り込まれにくいので表面に出てくることが出来るんですねー

ガスハイドレート層がいわば分子吸着フィルターのような役割を果たすということです。

今回、地下海の長期維持メカニズムを新たに提唱することができ、地下海を持つ氷天体が想定以上に多く存在する可能性を示すことになりました。

また、地下海の存在が大気組成を特徴的なものにし、それは観測可能なことも示すことに…

これらのことは、宇宙における海や生命の研究において重要なことになります。
地球外生命の探査という点でも大きな成果になりますね。


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2018年09月28日 | 冥王星の探査
多くの研究者が「クレーターだらけの退屈な氷の塊」っと思っていた冥王星。

でも、NASAの探査機“ニューホライズンズ”の観測により、そのイメージは変わることになりました。

実際の冥王星はハート模様やクジラのような模様、氷河や氷の火山などが見られ、驚くほど多様な物質や地形に彩られていたんですねー

今回は2006年まで太陽系の第9惑星で、現在は準惑星に分類されている冥王星誕生のお話し。

冥王星の観測データと、探査機“ロゼッタ”で得られた彗星の化学組成のデータから分かってきたことは、冥王星はたくさんの彗星が集積して形成された天体だということでした。


2つの探査機の観測データから得られた理論

アメリカ・サウスウエスト研究所のチームが、2つの観測データを組み合わせて新しい理論を構築しました。

用いられたのはNASAの探査機“ニューホライズンズ”による冥王星の観測データと、ヨーロッパ宇宙機関の探査機“ロゼッタ”による“チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星”の観測データ。

そして、分かってきたのが冥王星がどのように形成されたのかを説明する新しい理論でした。
  研究チームはこの新しい冥王星形成モデルを“巨大彗星・宇宙化学モデル”と呼んでいる。
○○○
“ニューホライズンズ“が撮影した巨大な氷床“スプートニク平原”は、
冥王星表面にあるハート模様の左半分を占めている。
今回の研究で中心になったのは、冥王星の“スプートニク平原”にある窒素の豊富な氷でした。
  “スプートニク平原”は大きな氷床で、
  “トンボー領域”という明るいハート型地形の左半分を形作っている。


研究チームは、“チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星”に似た化学組成を持つ彗星や別種のカイパーベルト天体がおよそ10憶個ほど集積して、冥王星が作られたと仮定。

すると、冥王星に存在するであろう窒素の量は、実際に“ニューホライズンズ”で観測された“スプートニク平原”の窒素の量とほぼ同じになる っという興味深い結果が得られたんですねー
  さらに、彗星が集まって冥王星ができたというモデルに加えて、
  太陽に近い化学組成を持つ低温の氷が集積してできたというモデルについても
  同様に調査している。



冥王星にもあった豊かな歴史

今回のモデルを作る上で研究チームが進めたのは、現在の冥王星の大気や氷床に存在する窒素の量の把握でした。

それだけでなく、冥王星ができてから現在までの数十億年にわたって、どれくらい窒素が大気から宇宙空間に逃げたのかについても見積もっているんですねー

さらに、より完全なモデルにするために必要だったのが、窒素に対する一酸化炭素の比率についてもモデルと観測値とを合わせることでした。

ただ、このモデルによる予測では、現在の冥王星に存在する一酸化炭素の量が実際よりも多くなってしまうことに…

これについては、一酸化炭素の氷の中に埋もれているか、あるいは液体の水の作用で分解されてしまったと考えることもできます。

冥王星の元々の化学組成は、冥王星を形作った彗星の組成を引き継ぐことになり、のちに液体の水によって科学的に変えられた。
っということが今回の研究から示唆されたことになります。

もしかすると、冥王星の地下海の水によって変化したという可能性もあります。

今回の研究は“ニューホライズンズ”や“ロゼッタ”ミッションの成果を基にして、冥王星の起源や進化に関する理解をさらに広げるものとなりました。

そして新たに分かってきたことは、今日の冥王星に見られる特徴は、遠い昔から現在までの冥王星の形成過程に由来していたことでした。

冥王星は退屈な氷の塊ではなかったんですね。
○○○
“ニューホライズンズ”の可視光・赤外線撮像分光装置“Ralph”がとらえた冥王星の表面の組成。
左上から時計回りに、メタン(CH4)、窒素(N2)、一酸化炭素(CO)、
水(H2O)が豊富な領域を表していて、“スプートニク平原”に窒素が多いことが分かる。


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2017年02月17日 | 冥王星の探査
多様な物質と地形をもつ準惑星

地球から遠くはなれた天体。
今回は準惑星に降格になった太陽系の元第9惑星の話です。

これまで多くの研究者が、
冥王星はクレーターだらけの退屈な氷の塊だと思っていました。

でも、NASAの探査機“ニューホライズンズ”が、
そのイメージを変えることになります。

2015年7月のこと、“ニューホライズンズ”が、
史上初めて冥王星にフライバイ(接近通過)による観測を行い、
冥王星や衛星カロンの詳細な表面画像を見せてくれました。
  【冥王星探査】広がる氷の平原と、太陽風ではぎ取られる大気
  巨大な割れ目と氷火山活動… 衛星カロンには激動の歴史があった。

実際の冥王星は、
ハート模様やクジラのような模様、氷河や氷の火山などが見られ、
驚くほど多様な物質や地形に彩られていたんですねー

なかでも目を引くのが、赤道域を中心に幅およそ300キロ、
長さおよそ3,000キロにわたり広がる褐色の領域“くじら模様”でした。
  “クジラ模様”は、赤道領域全体のおよそ3分の1を占めています。

ただ、この模様の形成には、
かつて冥王星で起こった大規模な物理・化学過程が関わっているはずなんですが、
その形成過程は謎のまま…

新たな研究によると、冥王星の赤道域に広がる褐色の“くじら模様”は、
衛星カロンを生み出した天体衝突によって、できた可能性があるそうです。
メルカトル図法で作成された冥王星の地図。
下図点線で囲まれた他部分が“クジラ模様”の褐色の領域“クトゥルフ”。

  そもそも、どこがクジラ模様? っという疑問もありますよねー
  一応ハート模様の左下の黒い部分、ここがクジラっぽく見えるそうです。

  この地域は非公式に“クトゥルフ”という名前が付けられていて、
  この場所には有機物のソリンの存在も予測されています。


模様はどうやって出来たのか?

今回の研究では、“クジラ模様”の形成過程に関して、
衛星カロンの形成に注目しています。

カロンの質量は冥王星の10分の1ほどもあり、
これは主天体に対する割合として非常に大きいんですねー

そのカロンの起源として、
冥王星への巨大天体の衝突“ジャイアント・インパクト”が提唱されるのですが、
実証的な証拠に欠けていました。

研究チームが考えたのは、
もし冥王星に“ジャイアント・インパクト”が起こった場合、
衝突地点付近の氷が加熱されて広大な温水の海ができること。

その海では冥王星に元々存在していた単純な分子種が重合反応を起こして、
褐色の有機物が生成されるのではないかということでした。

そこで研究チームでは、
巨大天体衝突後に、温水の海で起こる化学反応を再現することになります。

行われたのは、ホルムアルデヒドやアンモニアなど、
カイパーベルト天体に共通して含まれる分子種を含む水溶液を、
様々な条件の下で加熱する実験でした。

すると、およそ50℃以上で数か月以上の加熱時間の場合、
冥王星に元々含まれる物質から“クジラ模様”と同様の褐色の有機物が、
生成することが分かります。
“ニューホライズンズ”が撮影した冥王星(右下)とカロン(左上)。
冥王星の左下に“クジラ模様”が見える。


温度条件

実際に、褐色の有機物が生成される温度条件が、
カロン形成の“ジャイアント・インパクト”時に達成されるのでしょうか?

数値シミュレーションによって調べてみると、
カロンのような大きさの衛星を形成する衝突条件の場合、
ほぼすべてのケースで“クジラ模様”と同程度の広さの加熱領域が、
冥王星の赤道域を中心に形成されることが明らかになります。

つまり、カロンを形成するような“ジャイアント・インパクト”が起これば、
必然的に赤道域に褐色の領域が形成されるということです。

裏を返せば、“クジラ模様”が冥王星に存在するということは、
“ジャイアント・インパクト”によって衛星カロンが形成されたという説を、
強く支持する材料になるんですねー

また、衝突の条件が変わると天体全体が褐色になったり、
加熱されず白いままだったりすることも確かめられています。

これにより、セドナやエリスといった他のカイパーベルト天体の多様性も、
“ジャイアントインパクト”の結果という統一的な説明が出来るようになりました。
今回の研究結果から、
地球に火星サイズの天体テイアが衝突して月が誕生した事と同様のことが、
冥王星とカロンでも起こった可能性が見えてきました。

初期の太陽系では、このような衝突が頻繁にあったのかもしれません。

地球形成領域から太陽系外縁部にわたる広い範囲で、
原始惑星同士が頻繁に衝突・合体するという大変動を経て、
現在の太陽系の姿になった…

っと考えると、
今回の研究により太陽系の成り立ちに少し近づけた気がしますね。


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新ミッションが正式決定! 探査機“ニュー・ホライズンズ”はカイパーベルト天体“2014 MU69”へ

2016年07月13日 | 冥王星の探査
2006年に打ち上げられ、
2015年の7月14日に冥王星への接近通過(フライバイ)を果たした、
NASAの探査機“ニュー・ホライズンズ”。

はるかな旅の後に行った冥王星やその衛星カロンの観測は見事に成功させ、
いま“ニューホライズンズ”は地球からどんどん遠ざかりながらも、
膨大なデータを少しずつ送信しています。

さらに、今回新しいミッションも正式に決定。
“ニュー・ホライズンズ”は新たな目的地“2014 MU69”へと向かうことになります。

予定されていた追加ミッション

次の探査目標天体は、
冥王星よりさらに約16億キロ外側を公転しているカイパーベルト天体“2014 MU69”。

“ニューホライズンズ”は当初から、冥王星系だけでなく、
他のカイパーベルト天体も探査するように計画された探査機でした。

なので追加の目標をフライバイするための燃料も残っていて、
電力系統も、あと数年は稼働するように設計されているんですねー


カイパーベルト天体“2014 MU69”

新たな目標として選ばれた“2014 MU69”は、
2014年にハッブル宇宙望遠鏡で発見されたカイパーベルトにある天体です。

太陽系の外側にカイパーベルトがあります。

そこには惑星になりきれなかった物質や惑星同士が衝突してできた破片が漂っていて、
それらは太陽系の初期の頃のままの状態を保っていると推測されています。

カイパーベルトにある天体の数は数十億個とも言われ、
その多くが岩石や氷、凍ったメタンやアンモニアの塊などで、
その中でも“2014 MU69”は比較的大きく、その直径はおよそ48キロもあるんですねー

典型的な彗星より10倍以上大きく1000倍以上重い天体になり、
一方で冥王星と比べると0.5~1%の大きさで質量は1万分の1しかなく、
冥王星などを作る元になった天体と考えられています。

NASAがこの天体を選んだのは、
“ニュー・ホライズンズ”が向かっている方向と、
使える燃料の残量からもっとも余裕をもって到達できるからで、
到達した後も柔軟な観測が行えることになります。

今回、予算が無事に通り、
“2014 MU69”が正式なターゲットとして承認されました。

すでに軌道修正は行われていて、“2014 MU69”への到着予定は2019年1月1日。

さらに“ニュー・ホライズンズ”は“2014 MU69”に向かう途中にも、
小惑星イリスなど複数の天体の観測を行うようです。


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