ケレス (準惑星) 自転と赤道傾斜

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ケレス (準惑星)

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/03/23 04:20 UTC 版)

自転と赤道傾斜

ケレスの自転周期（ケレスの太陽日）は9時間4分。赤道傾斜角は4°で、これは月や水星と同様に、ケレスの極地がコールドトラップとして機能し、時間の経過と共に水の氷が蓄積されると予想されている永久影を持つクレーターが存在出来るのに十分なほど低い傾斜である[89]。表面から放出された水分子の約0.14%がトラップに行き着くと予想されている[90]。

物理的特徴

ドーンによる探査で、ケレスの質量は9.39×1020 kgと測定されている[91]。この質量は、小惑星帯の推定全質量である3.0 ± 0.2×1021 kgの約3分の1を占めており[92]、月の質量の約1.3%に相当する。ケレスはほぼ球形の形状を維持するのに十分な大きさで[93]、ベスタとテティスの間の大きさを持つ。表面積はインドとアルゼンチンを合わせた面積とほぼ同じである[注 4]。2018年7月、NASAはケレスに見られる物理的特徴と地球上に存在する同様のものと比較した記事を公開した[47]。

表面

「ケレスの地形一覧」も参照
ケレスに見られる顕著な地質的特徴

ケレスの表面組成はC型小惑星とほぼ一致しているが[11]、いくつか異なる点もある。ケレスの赤外線スペクトルのいたる部分には、水和した物質が存在していることを示す兆候が見られ、これは内部に大量の水が存在していることを示している。他に存在しうる表面成分として、鉄が豊富な粘土鉱物（クロンステダイト）および炭素質コンドライト隕石に一般的に存在する炭酸塩（ドロマイトと菱鉄鉱）が挙げられる[11]。炭酸塩と粘土鉱物の存在を示す兆候は他のC型小惑星のスペクトルでは見られない[11]。そのため、ケレスは時折G型小惑星として分類されることがある[94]。

ケレスの表面は比較的暖かく、1991年5月5日に太陽直下点での温度は235 K（-38 ℃、-36 ℉）と測定された[15]。この温度下では氷は不安定になる。表面の氷の昇華によって残された物質が、木星以前の惑星を公転する氷でできた衛星よりもケレスの表面を暗くさせているかもしれない。

ハッブル宇宙望遠鏡を用いた研究により、グラファイト、硫黄、二酸化硫黄がケレスの表面に存在することが明らかになっている。前者はケレスの古い表面が宇宙風化の影響を受けて生成されたとされている。後者の2つはケレスの条件下では揮発性で、すぐに放出されるかコールドトラップに行き着くと予想されているので、これらは地質的活動を最近伴った地域に関連しているとされている[95]。

ドーンによる探査以前の観測

2004年にハッブル宇宙望遠鏡が2時間20分ごとに撮影したケレスの画像

ドーンによる探査以前は、ケレスの明白な表面の特徴はわずかしか検出されていなかった。1995年にハッブル宇宙望遠鏡が撮影した高解像度の紫外線画像で、表面に暗い地形があることが示された。この地形はケレスの発見者に因んで「ピアッツィ（Piazzi）」と呼ばれ[94]、クレーターであると考えられた。補償光学を用いてケック天文台によって撮影された、より高解像度の近赤外線全球画像から、ケレスの自転と共に移動するいくつかの明るい地形と暗い地形が示された[96][97]。そのうちの2つの暗い地形は形状が円形であったのでクレーターであると推測され、そのうち1つは中央に明るい地形を持つことが観測された。一方で、もう片方はピアッツィであると認識された[96][97]。2003年と2004年にハッブル宇宙望遠鏡が撮影したケレスの可視光線全球画像では、識別可能な地形が11個示されたが、それらの性質については未確定であった[13][98]。これらの地形のうちの1つは以前から観測されていたピアッツィに該当するとされている[13]。

こうした中での最後の観測では、ケレスの北極点がりゅう座の、赤経 19h 24m（291°）、赤緯+59°の方向を向いており、この結果から赤道傾斜角は3°であるとされた[13][93]。その後、ドーンによる探査で実際には北極点が赤経 19h 25m 40.3s（291.418°）、赤緯+66° 45′ 50″（りゅう座δ星から約1.5°）の方向を向いていることが確定し、その結果、赤道傾斜角は4°であると判明した[7]。

2014年1月には、ハーシェル宇宙望遠鏡の観測により2箇所からの水蒸気の噴出が確認された。量は1秒あたり6 kgであると推定されている。小惑星帯で彗星として活動するメインベルト彗星の存在は確認されていたが、水蒸気を観測したのは今回が初めてとなる。論文は1月23日にネイチャーに掲載された[99][100]。

ドーンによる探査

ドーンによる観測で北半球に確認された、表面の氷を蓄積することができる永久影が存在する地域

ドーンは、ケレスの表面がクレーターで覆われていることを明らかにした。しかし、ケレスには予想されていたよりも大型のクレーターは存在しておらず、これはおそらく過去の地質学的プロセスによるものとされている[101][102]。予想外にもケレスのクレーターの多くには、氷火山プロセスの影響で中央に窪み（central pit）があり、また多くは中央丘を持っている[103]。ケレスにある有名な山として、アフナ山（Ahuna Mons）がある。この地形は氷火山のように見え、クレーターがほとんど無いことから、最長でも数億年以内に形成されたことが示唆されている[104][105]。後のコンピューターシミュレーションでは、元々ケレスに存在していたが、粘性の低下によって認識できなくなった他の氷火山が存在する可能性が示されている[106]。ドーンはケレスにあるいくつかの「光点」を観測しており、そのうち最も明るい光点（スポット5）は、オッカトル（Occator）と呼ばれる直径80 kmのクレーターの中心に存在している[107]。2015年5月4日に撮影されたケレスの画像から、2番目に明るい光点が実際には、散在している10個もの明るい領域から成ることが明らかになった。これらの明るい地形はアルベド（反射率）が約40%にもなっており[108]、これは表面にある氷や塩といった太陽光を反射する物質によるものとされている[109][110]。最もよく知られている光点「スポット5」の上空には定期的に「もや」が現れる。これは、ある種のガス放出または昇華する氷が光点を形成したという仮説を支持するものとされている[110][111]。2016年3月、ドーンはオクソ（Oxo）クレーターで水分子が存在するという明確な証拠を発見した[112][113]。

2015年12月9日、NASAの科学者たちはケレスの光点は塩の種類、特に硫酸マグネシウム六水和物（MgSO4·H2O）を含む塩水の形態に関係していると報告した。また、その光点はアンモニアが豊富な粘土と関連していることも明らかになった[43]。これらの光点の近赤外線スペクトルが大量の炭酸ナトリウム（Na2CO3）、少量の塩化アンモニウム（NH4Cl）もしくは炭酸水素アンモニウム（NH4HCO3）の存在を示すものと一致することが2017年に報告されている[114][115]。これらの物質は、最近内部から表面に到達した塩水の結晶化に由来していることが示唆されている[44][45][46][116]。

2020年に欧米の科学者チームが行った研究発表ではケレスの観測を行ったドーンによる重力測定のデータから、直径約92kmの「オッカトル・クレーター（英:Occator Crater）」の地下およそ40kmの深さに今も約数百～1000kmの幅に渡って塩水が存在していることを断定した。 また、別の研究チームでは、これまで地球以外で観測された例がなかったハイドロハライトが存在することを発見した[117] [118]。

炭素

有機化合物（ソリン）がエルヌテト（Ernutet）と呼ばれるクレーターで検出されており[51][52]、またケレスの大部分は非常に炭素に富んでいて[119]、表面付近の全質量の約20%を占めている[120][121]。炭素含有量は地球上で分析されている炭素質コンドライト隕石よりも5倍以上多い[121]。表面の炭素は、岩石と水の相互作用でできた粘土のような生成物が混合されている証拠だとされている[120][121]。この化学組成は、ケレスが木星軌道よりも外側で、そして有機化学に有利な条件をもたらす水が存在する状況下でケレスが炭素に富む物質の降着によって形成された可能性を示している[120][121]。ケレスにこうした物質が見られるのは、生命にとって基本的な成分が宇宙全体に存在しているという証拠になる[119]。

ケレスの光点の地図
2017年12月時点
2015年12月時点
可視光線および赤外線でのケレスの光点（2015年4月撮影）
スポット1（上段、周囲より温度が低い）
スポット5（下段、周囲と温度は似通っている）
オッカトルクレーターにあるスポット5。ドーンが高度385 kmから撮影。
アフナ山は最も急勾配のところで推定5 kmの高さを持つ[122]。ドーンが2015年12月に高度385 kmから撮影。

内部構造

ケレスの内部構造（2018年8月時点）
ケレスの重力分布（赤は重力が強く、青は弱いことを示す）

ケレスは、岩石質の核と氷のようなマントルと地殻で構成されていると考えられている。ドーンによる形状および重力場観測から、ケレスは偏微分[9][123] とアイソスタシー補償を伴う静水圧平衡の状態にあり、平均慣性モーメントは0.37とされた（この値はカリストの0.36と似ている）[124]。ケレスの質量のうち最大で25%を水が占めている可能性があり、その場合、ケレスには地球よりも多量の水が含まれていることになる[125]。

鉱物組成については深さ100 kmまでに対してのみ間接的に求める事が可能で、厚さ40 kmの表層は水、塩、水和鉱物の混合物になっている。その下には、少量の塩水を含んでいる可能性のある層があり、少なくとも鉱物組成を探知できる限界である深さ100 kmよりも深くにまで及んでいる。そのさらに下は粘土のような水和した岩が含まれるマントルになっていると考えられている。ケレスの内部で最も深いところには液体が含まれているのか、あるいは金属を豊富に含んでいる核が存在しているかを判断するのは現時点では不可能である[126]。モデリングでは、ケレスは岩石部分の部分的な分化により、金属から成る小さな核を持てることが示されている[127][128]。

ケレスの扁平率は、内部が岩石の核と氷のマントルとに分化している場合と一致しており[93]、この厚さ100 kmのマントル（ケレスの全質量の23～28 %、全体積の50%[129]）には最大で、地球に存在する淡水の総量よりも多い2億 km3の水が含まれているとされている[130]。この結果は、2002年にケック望遠鏡で行われた観測と進化論的モデリングによって支持されている[28][96]。その表面と歴史の特性（形成時にかなり凝固点の低い成分を吸収できるほど日射量が弱かった太陽からの距離など）から、ケレスの内部に揮発性物質が含まれている可能性が指摘されており[96]、また、液体の水の層が氷の層の下に現在まで残っている可能性も示唆されている[28][29]。ある研究では、核と外層の密度はそれぞれ2.46～2.90 g/cm3と1.68～1.95 g/cm3、外層の厚さは約70～190 kmと推定されている。核からは部分的な脱水（氷の放出）が起きていると予想されており、水の氷と比較して外層の密度が大きいのは、ケイ酸塩と塩が含まれているのを反映している[124]。つまり、核、マントルそして地殻は全て氷もしくは岩石で構成されているが、その含有比率は異なるということになる。

別の研究では[131]、ケレスがコンドルールで構成されている核そして氷とミクロサイズの固体微粒子が混合している氷でできたマントルの2層から成る天体としてモデル化されている。表面での氷の昇華は厚さ20 mの水和粒子の堆積物を残すとされている。データと一致すると考えられる内部構成の予想範囲は大きく、75%がコンドル―ルで残る25%が微粒子からできている直径が380 kmの核と、75%の氷と25%の微粒子を含むマントルから成るとする核が最も大きくなる場合や、ほぼ完全に微粒子でできている直径が85 kmの核と、30%の氷と70%の微粒子のマントルでできているとする核が最も小さくなる場合まで様々なものがある。核が大きい場合では、塩水が存在出来るほど暖かくなっているはずだとされている。核が小さければ、110 kmより深い領域のマントルは液体のままになっているとされている。後者の場合、含まれている液体の2%が凍結していれば液体を表面に押し出すのに十分なほど圧縮することができ、氷火山を形成させるであろうと考えられている。これは、ケレスで平均で5,000万年ごとに1つの氷火山が生じたかもしれないという推測の比較になるかもしれない[132]。

大気

ケレスでは表面の水の氷からガス状の水蒸気が放出されている兆候が見られる[133][134][135]。

表面にある水の氷は、太陽から5 au未満の領域では不安定であり[136]、太陽からの放射に直接晒されると昇華してしまうと予想されている。氷はケレスの深層部から表面に移動することができるが、非常に短時間で放出されてしまう。そのため、結果として水の蒸発を検出することは困難である。ケレスの極地域からの水の放出は1990年代初頭に観測されていた可能性があるが、明確に実証はされていない。新しいクレーターの周囲もしくは地下層からの亀裂から放出される水を検出することは可能かもしれない[96]。国際紫外線天文衛星による紫外線観測では、ケレスの北極付近から統計的に有意な量の、紫外線の日射によって起きる水蒸気の解離の副産物である水酸化物イオンが検出されている[133]。

2014年初頭に、ハーシェル宇宙望遠鏡のデータから、ケレスの中緯度にいくつかの局所的（直径60 km以下）な水蒸気源があり、それぞれ1秒あたり1026個（3 kg）の水分子を放出していることが判明した[137][138][注 5]。ピアッツィ（北緯21°、経度123°）と「RegionA」（北緯23°、経度231°）と呼ばれる2つの潜在的な水蒸気源が、2002年のケック天文台による近赤外線の観測によって暗くなっている領域（RegionAの中央には明るい領域もある）として可視化されている。考え得る蒸気放出のメカニズムとして、表面積約0.6 km3の露呈している表面の氷の昇華、内部からの放射性崩壊による熱に起因する氷火山噴火[137]、上層にある氷の層の成長による地下の海の加圧が挙げられる[29]。ケレスが軌道上において太陽から離れた部分にいるとき、表面の氷の昇華だとその放出量は減少するが、内部から発せられた熱だとその放出率はケレスの軌道上の位置で変化することはない。限られている利用可能なデータでは、彗星のように氷の昇華に起因するというメカニズムの方により一貫性を示していた[137]。しかしその後のドーンによる調査で、活動中の地質的活動が少なくともそれらの一部に起因していることが強く示唆された[141][142]。

ドーンのガンマ線・中性子分光計（GRaND）を用いた研究で、ケレスが太陽風からの電子を規則的に加速させていることが明らかになった。この現象を引き起こしている原因としてはいくつかの可能性が考えられるが、最も受け入れられているのはこれらの電子が太陽風と水蒸気から成る弱い外圏との衝突によって加速されているという説である[143]。

2017年、ドーンはケレスが太陽活動に関連していると思われる一時的な大気を持っている事を確認した。太陽からの高エネルギーの粒子がケレスの露出した氷に衝突した際に、その氷が昇華することにより形成されるとされている[144]。


脚注

注釈

  1. ^ この画像は、ケレスの表面上空13,642 kmの軌道（Rotation Characterization 3 orbit）から撮影された。中央と中央右にあるのは、それぞれオクソ（Oxo）クレーターとハウラニ（Haulani）クレーターの中心にある光点である。アフナ山（Ahuna Mons）が画像の下部の右側に鈍い丘陵として見える。
  2. ^ その他の言語での名称は1つを除いてCeresもしくはCerereの変種を使用している。ロシア語は「Tserera」、ペルシア語は「Seres」、日本語は「ケレス（Keresu）」などとなっている。なお、英語読みをした場合はシリーズといった表記となる[62]。フランス語やスペイン語読みのセレスの名称で表記されることも多い。唯一の例外は中国語で、中国語では「穀神星 （gǔshénxīng）」と呼ばれる。
  3. ^ 1807年にKlaprothが、より語源に沿った「Cererium」という名称に変更しようとしたが、定着しなかった[68]。
  4. ^ オーストラリアの約40%、アメリカもしくはカナダの約3分の1、日本の約7倍、イギリスの約12倍に相当。
  5. ^ この放出率は、エンケラドゥス（ケレスより小さい）とヨーロッパ大陸全体（ケレスより大きい）の潮汐駆動プルームからの放出率と比べると小さく、それぞれの放出率は200 kg/s[139] と7,000 kg/s[140] である。

出典

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