彼らが太陽系の遠く離れた太陽から見捨てられた範囲で生きているように、ガス巨人である木星と土星、そして氷の巨人である天王星と海王星は、常に冷ややかな領域であると予想されていました.しかし、NASA の探査機ボイジャーが 1970 年代後半から 1980 年代にこれらの惑星のそばを通過したとき、科学者たちは 4 つの世界すべてで惑星熱が発生していることを発見しました。これは、冷凍庫の中にかがり火を見つけるのと同じくらい耳障りな発見でした。
地上の望遠鏡とガリレオとカッシーニの宇宙船によるフォローアップ観測は、それらの惑星全体の熱が時間の経過とともに持続していることを示しました.彼らの惑星の発熱は深刻です。たとえば、木星の低緯度は摂氏マイナス 110 度の極寒のはずです。代わりに、そこの雰囲気は 325 度で調理されます。この背後にあるシークレット焼却炉は何ですか?この未知の熱源は、地球上の 1 つの場所だけでなく、上層大気全体をどのように温めているのでしょうか?
科学者たちはこの「エネルギー危機」を説明しようとしてきたが、「約 50 年間混乱したまま」であると、宇宙航空研究開発機構の惑星天文学者であるジェームズ・オドノヒューは述べた。現在、2 つの論文によって、その熱がどこから来ているのかが決定的に明らかになりました。それは、木星と土星の北極光と南極光、つまりオーロラです。
この結果は、両方の巨大ガス惑星の上層大気の詳細な測定から得られたものです。土星の大気温度は、カッシーニ探査機が最終的に土星に突入した際に測定されました。木星は、巨大なハワイの火山の頂上にある望遠鏡を使用してつなぎ合わされました。どちらも、両方の磁極の下にあるオーロラ帯の近くで大気が最も高温であることを示しています。赤道に近づくと気温が下がります。明らかに、オーロラが熱をもたらしています — そして、ラジエーターと同様に、その熱は距離とともに減少します.
エネルギー危機の解決策は、広範囲に影響を与える可能性があります。私たち自身の太陽系にあるものから遠く離れた星を周回するものまで、惑星は常に大気を維持しているわけではありません。多くのガス状のエンベロープは時間の経過とともに破壊され、場合によっては巨大な世界が小さくて居住不可能な殻に変わります.研究者たちは、これらを居住可能な地球のような惑星と区別できるようにしたいと考えています。アリゾナ大学の研究者であるザラ・ブラウン氏は、「ガスが宇宙に失われる場所であるため、知りたい主要なパラメーターの 1 つは外気の温度です」と述べています。 /P>
エイリアン オーロラ
地球の北極光と南極光はまだ完全には理解されていませんが、基本は明らかです。
太陽は磁場とエネルギー粒子を宇宙空間に放出します。太陽風としてよく知られているこれらのボレーが私たちの惑星に到達すると、磁気圏として知られる地球自身の磁気バブルと相互作用します。その後、エネルギー粒子は、惑星の北磁極と南磁極に向けて螺旋状に下降します。そこで、彼らは上層大気のガス原子と分子を鳴らします。これらの衝撃は一時的にガスにエネルギーを与え、目に見える閃光を放ちます。
一般に、オーロラには 3 つの要素が必要です。エネルギー粒子の発生源、磁場、大気です。木星と土星には 3 つすべてがありますが、どちらの惑星のオーロラも地球のオーロラとはまったく異なります。
地球の磁場は、私たちの足の奥深くで液体のニッケル - 鉄合金がかき回されることによって発生します。しかし、巨大ガス惑星には溶鉄のコアがありません。代わりに、惑星の巨大な重力は、水素の電子が自由に弾けるように、外核にある膨大な量の液体水素を強く絞ります。このプロセスにより、水素が磁気発生金属に変わります。
これらの金属水素の大渦は非常に巨大であるため、巨大ガス惑星の磁気圏は地球を小さなものにしています。木星の磁気圏は「太陽系で最大の構造物です」とオドノヒューは言いました。 「その尾は土星まで下がっており、おそらくそれを超えています。」
また、巨大ガス惑星は、太陽からの距離が離れるにつれて消滅する太陽風からのエネルギー粒子またはプラズマの豊富な供給に頼ることができません。代わりに、彼らは火山の錬金術に頼っています。
木星は、科学的に知られている中で最も火山性の天体である衛星イオからプラズマのほとんどを得ています。イオのほぼ一定のマグマ噴火は、大量の火山物質を宇宙に投棄します。そこで太陽光を浴びて電気的に励起され、木星に降り注ぐ。土星のプラズマのほとんどは、鏡のような氷の月であるエンケラドゥスから来ており、極寒の水質物質の壮観なジェットを宇宙に放出しています。
これらのプラズマは、惑星の広大な磁気圏に飛び込み、極に向かって加速します。そこでは、プラズマ中の荷電粒子が大気中のガス分子と衝突します。
土星のオーロラは主に紫外線を放出します。木星では、紫外線と赤外線の両方の波長にあります。しかし、光を作るプロセスは熱を作るプロセスと同じではありません。この場合、「摩擦がすべてです」とオドノヒューは言いました。
プラズマは磁力線を介して惑星の磁極に流れます — 宇宙まで伸びる磁化された巻きひげです。これらの巻きひげとその流れは、惑星とともに回転します。しかし、彼らは時々ペースを維持するのに苦労します。たとえば、木星は10時間で1回転します。これらのプラズマの流れが惑星の自転よりも遅れると、木星の強力な西風がそれらを押しのけます。動きの遅いプラズマ流に対するこれらの風の抵抗が摩擦を生み出します。そして、その摩擦によって熱が発生します。おそらく、木星の場合、惑星が太陽から得る熱の 125 倍の熱になります。 「それはちょっとおかしなことです」とオドノヒューは言いました。
したがって、天文学者がオーロラがこれらの惑星熱の源であるかどうか疑問に思っていたことは驚くべきことではありません。 「何十年もの間、オーロラには十分なエネルギーがあることは明らかでした」と、ボストン大学の上級研究科学者であるルーク・ムーアは言いました。しかし、疑いから確実性へとナビゲートするために、天文学者はマップを必要としていました。具体的には、ガスと氷の巨人の上層大気のヒートマップです。これにより、最高気温がオーロラに重なるかどうか、またこの熱が地球全体に拡散しているかどうかを確認できました。
最初のマップは最終的な行為から来ました。 2017 年 4 月、NASA のカッシーニ探査機は、土星の周りを 13 年間周回した後、何か驚くべきことを行うように命じられました。それは、土星とそのリングの間を繰り返し潜りながら、惑星の 22 周回を行うことです。 2017 年 9 月 15 日に探査機が土星の雲の中で燃え尽きて終了した、いわゆるグランド フィナーレは、カッシーニに他に類を見ない世界のクローズ アップ ビューを与えました。
カッシーニが土星の近くを通過したとき、土星の大気を通して向こうの明るい星々を覗き込みました。これらの星からの光は、光が通過した大気の密度に応じて変化するように見えました。ガスの密度と温度は関連しているため、研究者は星食として知られるこれらの測定値を数十回使用して、土星の上層大気の昼側と夜側の両方の詳細なヒート マップを作成しました。
昨年、Nature Astronomy に掲載されました 、ヒート マップは、オーロラ周辺の熱スパイクと、赤道に向かって温度の緩やかな低下を示しました。
あたかもオーロラが原因であるかのように見えました。しかし、「土星のエネルギー再分配に関する私たちの理論が正しければ、木星でも機能するはずです」と、土星研究の筆頭著者であるブラウンは述べています。
現在、オドノヒューと彼の同僚による研究により、そのように見えます.
木星の上層大気熱の原因を木星自身のオーロラに帰するためにも、ヒート マップが必要でした。しかし、そのような地図を作成することは容易ではありません。惑星の混沌とした上層大気は、週ごとに変化します。ある夜に極付近で測定を行い、数週間後に戻って赤道付近の測定値と比較することはできません。やがて空は大きく変化し、熱の流れの証拠は失われるでしょう。
研究者が必要としていたのは、比較的短い時間で作成されたグローバル ヒート マップ、つまり数時間にわたる熱の流れを示すマップでした。
オドノヒュー、ムーア、そして会社は、ハワイの休眠中のマウナケア火山の頂上にあるケック天文台に目を向けました。彼らはそれを使って、2016 年 4 月 14 日と 2017 年 1 月 25 日の 2 晩、それぞれ 5 時間、赤外光で木星を観察しました。毎晩、彼らは木星の昼側の高解像度ヒート マップを作成しました。どちらの地図も、オーロラ ゾーン周辺で気温がピークに達し、驚異的な摂氏 730 度に達することを明確に示していました。赤道に近づくにつれて、この温度の天頂は徐々に低下しますが、水銀はまだ印象的な 325 度に達しています。
彼らの結果は、Nature に受理されたプレプリントで現在利用可能です 、カッシーニが土星で見たものと調和します。 [編集者注:その論文は現在公開されています。 ] この結果は、オーロラがエネルギー危機を解決できることの確固たる証拠と見なされています。ウェールズのアベリストウィス大学の宇宙物理学研究者で、どちらの論文にも関与していない Rosie Johnson 氏は、「これは大きな前進です。オーロラ加熱であることがわかりました」と述べています。
どちらの論文にも関与していないイギリスのランカスター大学の宇宙および惑星物理学研究者であるリシア・レイは、土星研究の厳密なデータセットを称賛しています。しかし、ジュピターの論文にはあまり納得していません。 「彼らは 2 泊分のデータしか使用していませんが、それが問題だと思います」と彼女は言いました。しかし、彼女の懸念にもかかわらず、「[木星での] 温度勾配の結果は、土星で見られたので、おそらく維持されると思います」と彼女は言いました。
観測が比較的少ないことは、「これらは非常に動的な場所であり、これらの巨大な惑星であるため、かなりの懸念です」とムーアは言いました.木星観測の追加の夜が収集され、現在処理中です。
いずれにせよ、ほとんどの独立した研究者は、惑星全体の熱がオーロラにかかっていると確信しているようです.これらの論文は、「私たちが起こっていると思っていたことが実際に起こっているという本当に素晴らしい確認を提供します」と、イギリスのレスター大学の惑星科学者であるリー・フレッチャーは述べています。 「エネルギーはオーロラ領域から低緯度に漏れています。」問題は:どうやって?
邪悪な西風
大気循環モデルの大部分は、オーロラから木星と土星のきしむような西風を経由して赤道に熱を移動させるのに苦労していますが、それらのヒート マップは、これらの猛烈なハードルが何らかの形で克服されていることを示しています。
考えられる解決策の 1 つは、カッシーニの観測に触発されたものです。カッシーニは、時折、土星の大気の下層への擾乱が、その層を上層大気に移動させる可能性があることを発見しました。このような反転は、上層大気の強力な西向きの風を混乱させ、減速させる可能性があります。おそらく、オーロラの熱が漏れるのに十分です.
理論的には、このメカニズムは木星にも当てはまる可能性があります。しかし、巨大ガス惑星の上層大気には雲がなく、明確な動きのマーカーであり、そこでの風の研究は「非常に困難」である、とフレッチャーは述べた。今のところ、エネルギー危機のこの部分は解決策のない謎のままです.
オドノヒューのチームは、2 つ目のプロセスが木星の周囲に熱を分散させるのに役立つのではないかと考えています。時折、激しい太陽風の活動が木星の磁気圏に圧力をかけ、それを圧迫します。以前の研究では、この圧縮が発生すると、イオのプラズマ ストリームが急速に上層大気に押し出される可能性があることが示されていました。プラズマが追加されると、これらの強力な西風が押しのけやすくなり、加熱スパイクが発生する可能性があります。
このような急増は、最近の調査で見られた可能性があります。 2017 年 1 月 25 日の観測の頃、太陽風の活動が比較的活発だった頃、すでに高温だった上層大気の温度が急上昇しました。チームは同時に、オーロラ帯から赤道に向かって移動する興味深い高温構造を発見しました。これらの現象は、太陽風の活動が比較的静かだった 2016 年 4 月 14 日の観測では見られませんでした。
チームは、2017 年初頭の太陽風活動のバーストが、惑星の磁気圏を圧迫した可能性があると推測しています。しかし、他の要因も関係している可能性があります。レイは、イオの火山活動の増加が別の説明を提供するかもしれないと推測しています。オドノヒュー氏は、これ以上の観察がなければ、いずれにせよ確信を持つことはできないと述べています。
これらの長引く難題にもかかわらず、オーロラが木星と土星の大気中の放火犯であることが決定的に特定されたことで、これらの世界に対する私たちの理解が大幅に強化されました。しかし、天王星と海王星は、不確実性の厚い霧に包まれたままです。それらは異なる大気、磁場、回転挙動を持っています - 「彼らは風変わりです」とブラウンは言いました。それらは非常に遠くにあるため、地球の望遠鏡を使用して詳細を見るのに苦労しており、近い将来、別の宇宙船がそれらを訪れることはないようです.その日が来るまで、これらの遠い領域は見知らぬ人のままであり、どちらも私たちがまだ理解していない惑星熱に苦しんでいます.
更新: 2021 年 8 月 4 日
この記事が最初に掲載されたとき、木星のオーロラに関する研究はプレプリントとしてのみ入手可能でした。で公開されました 自然。
