ジェームズ・ウェッブ望遠鏡が土星の大気中の異常な構造を検出

土星の空で何か奇妙なものが動いています。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用している天文学者たちは、土星の大気中にまったく新しいものを発見しました。それは、奇妙で不均一な星形のパターンの上空に、一連の暗いビーズのような特徴です。これらの予期せぬ構造は他の惑星では見られておらず、科学者たちはその原因をまだ解明していません。

「JWST を使用するこの機会は、土星のオーロラと上層大気のこれほど詳細な近赤外線観察を行うことができたのは初めてです」 と地球物理研究レターに掲載された新しい研究の主著者であるノーサンブリア大学のトム・スタラード教授は述べています。 。 「結果は全くの驚きでした。」

土星の奇妙なショー

2024 年 11 月 29 日の連続 10 時間にわたり、ウェッブの近赤外線分光器 (NIRSpec) は土星を見つめました。土星が春分点に近づいていたのは偶然のタイミングでした。土星の春分点の間、太陽光は土星の赤道全体に均等に降り注ぎますが、この季節の変化は地球の 15 年に 1 度しか起こりません。この惑星はまた、科学者が上部電離層とより深い成層圏の両方をスキャンできるような方法で回転していました。これら 2 つの大気層は長い間、とらえどころのないと考えられてきました。

土星の雲の上から千キロメートル以上上空にある電離層で、望遠鏡は何か印象的なものを発見しました。それは、輝くオーロラの光輪の中に埋め込まれた黒いビーズのネックレスです。それらは北緯 55 度から 65 度の間、サブオーロラ ゾーンとして知られる領域に広がっていました。

「土星の上層大気は、この領域からの放出が非常に弱いため、これまでのミッションや望遠鏡施設で研究するのは非常に困難であることが証明されています」とスタラード氏はプレスリリースで述べた。 「JWST の驚異的な感度は、これらの大気層を観察する私たちの能力に革命をもたらし、これまでにどの惑星でも見たものとはまったく異なる構造を明らかにしました。」

しかし、奇妙なことはこれだけではありませんでした。

惑星の成層圏にあるビーズの約 500 キロメートル下で、JWST は、赤道に向かって伸びる極冠の暗くギザギザの延長部である、不規則に広がる非対称の 4 つの腕を持つ星の形を捉えました。それは 2 本の腕が欠けた六芒星のように見え、不気味な不均衡を生み出していました。

六角形の上の謎

この機能についてはすぐに疑問が生じました。まず、それらは何ですか?次に、それらの原因は何でしょうか?また、それらは相互に関連していますか?

研究チームは、ビーズと星形が互いの真上と下にあることを発見しました。それらは地球の大気の同じ領域に層状に存在しますが、数百キロメートル離れています。この積み重ねは、活動が土星の空を通って伸びる垂直の「柱」の可能性を示唆しています。これは、この 2 つに関係がある可能性があることを示唆していますが、明らかではありません。

「興味深いことに、電離層の最も暗いビーズは成層圏で最も強いスターアームと並んでいるように見えます」とスタラード氏は述べました。「しかし、それらが実際に関連しているのか、それとも単なる偶然なのかは、現時点では明らかではありません。」

明らかなことは、これらの特徴が何らかの形で別の有名な好奇心、つまり土星の六角形に関連している可能性があるということです。

1980 年に NASA の探査機ボイジャーによって初めて発見されたこの六角形は、土星の北極の上に浮かぶ六面の嵐です。高速のジェット気流が形成している可能性がありますが、科学者たちはそのダイナミクスをまだ完全には理解していません。研究者たちは現在、JWST の観測により、偏った星がこのより深い渦に結びついていると考えています。

「非対称な星のパターンは、これまで知られていなかった大気プロセスが土星の成層圏で活動していることを示唆しており、おそらく土星の大気圏の深部で観察された六角形の嵐のパターンに関連している可能性があります」とスタラード氏は述べています。

土星の空で力が衝突する

ビーズ自体も同様に神秘的です。

これらは、土星、木星、その他の惑星で見られる既知の大気パターンとは一致しません。また、土星の環からの物質の落下によって引き起こされる可能性も低く、この物質は土星の電離層、特に衛星エンケラドゥスの磁気痕跡周辺に影響を与えることが知られています。ただし、その領域では、新しいデータには対応する信号が示されませんでした。

その代わりに、スタラードらは、このビーズは熱圏の高地で激しい剪断風によって生まれたのではないかと推測している。これらの風（一部は準回転、一部は超回転）は、対向する大気セルの境界で衝突し、不安定性を引き起こす可能性があります。

研究チームは、可能性の 1 つであるケルビン・ヘルムホルツ不安定性を検討しました。ケルビン・ヘルムホルツ不安定性は、2 つの流体層が異なる速度で互いに通過するときに発生します。地球上では、劇的な波のような雲を作り出すことができます。おそらく土星では、それらはビーズとして現れます。

「我々は、それらが根底にある大気プロセスや、周囲の宇宙環境から降り注ぐ物質によって引き起こされる可能性は低いことを示唆している」と著者らは研究の中で述べている。むしろ、電離層の風の間のせん断によって生じる可能性があります。

JWST は優れた「目」を持っています

土星の大気には、2004 年から 2017 年まで土星の周回軌道を周回した NASA の主力ミッションであるカッシーニさえも耐えられない秘密が長年隠されてきました。特に上層大気は薄暗く、捉えどころがありません。 JWST は強力な赤外線感度を備え、現在ベールを脱ぎつつあります。

「これらの機能はまったく予想外であり、現時点ではまったく説明されていません」とスタラード氏は語った。しかし彼はまた、それらが土星のオーロラを引き起こすエネルギー交換についての新たな洞察を提供するのに役立つ可能性があるとも信じている。また、同様の動的プロセスを共有する地球自身の熱圏を私たちがどのように理解しているのかについても情報を提供できる可能性があります。

すでにこの研究は、カッシーニ時代に失われた指標の 1 つである「惑星周期位相」を取り戻しました。これは、特定の海流が惑星の自転にどのように一致するかを示す尺度です。それを理解すれば、土星の磁気圏のより正確なモデルが得られる可能性があります。

研究チームは、特にこの珍しい春分の時期に、JWSTがすぐに土星に視線を戻すことを期待している。太陽が南に移動するにつれて、この惑星の大気のパターンは劇的に変化し、より多くの、あるいはおそらく異なるパターンが明らかになる可能性があります。

「どちらの大気層も地上の望遠鏡では観測できないため、土星の季節変化の重要な時期にJWSTの追跡観測が急務となっている」とスタラード氏は強調した。

論文土星のサブオーロラ電離層および成層圏における複雑な構造の JWST/NIRSpec 検出 Geophysical Research Letters に掲載されました 2025 年 8 月 28 日。 https://doi.org/10.1029/2025GL116491