冥王星

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/01/06 01:45 UTC 版)

物理的特徴

2015年7月14日にニュー・ホライズンズが最接近し、詳細な観測を行った。一部判明した観測データは公表されたが、詳細は数多くの天文研究者および天文愛好家によって現在解析中である。

外観

冥王星の全球

冥王星の見かけの等級は14等級以下であり、肉眼で観察することは不可能である。したがって観測には望遠鏡が必要となる。冥王星を容易に見るためには、望遠鏡の口径は約30センチ以上が望ましい。非常に巨大な望遠鏡で観測しても、冥王星の角直径はわずか0.15″しかないため、恒星と同じように点状に見える。冥王星の色はごくわずかに黄色がかった明るい茶色である。

衛星カロンが発見されたことにより、冥王星は最初の推定よりもずっと小さいことが明らかになり、必然的に冥王星のアルベド（光を反射する度合い）の見積もりは上方修正されることとなった。現在の推定では、冥王星のアルベドは、かなり高いアルベドを持つ金星よりもわずかに低い程度だと考えられている。

冥王星表面の地図

冥王星の距離が非常に遠く、望遠鏡の技術にも限界があるため、現在でも地球から冥王星の表面の詳細な写真を直接的に得ることは不可能である。探査機ニュー・ホライズンズが2015年に最接近して直接撮影されるまでの間は、ハッブル宇宙望遠鏡が撮影した画像から、表面の明暗や模様などがわずかに分かる程度であった。

1985年から1990年にかけて、カロンによる冥王星の食（掩蔽）が地球から観測できる位置関係になったため、食の進行にともなう明るさの変化をスーパーコンピュータで処理することによって、地表の明るさの精密な分布地図が得られた。たとえば、冥王星上で明るい点が食されると、暗い点が食されたときよりも全体の明るさは大きく変化する。この技術を用いて、冥王星 - カロン系全体の平均の明るさとその変化を時間とともに追っていくことができた。最終的に2015年に最接近したニュー・ホライズンズから地球に送信された観測データにより詳細な地表が明らかになった。

質量と大きさ

「二重天体」としての冥王星とカロン（右下）。地球と月の組（左上）も示した。それぞれの天体間の距離は正しくないが、大きさの比率は正しく描かれている。

冥王星の直径と質量は発見後数十年間にわたって過大評価されていた。質量は地球に匹敵すると当初は考えられていたが、観測が精密になると大きく下方修正された。1978年に衛星のカロンが発見されたことにより、ケプラーの第3法則のニュートンの公式を適用して、冥王星 - カロン系の質量を確定することが可能になった。

冥王星の質量の推移
発表年	質量（M_E）	発表者	出典
1915	7	ローウェル（惑星Xの質量としての推定）	^[25]
1931	1	ニコルソン、Mayall	^[26]^[27]^[28]
1948	0.1	カイパー	^[29]
1976	0.01	Cruikshank、Pilcher、Morrison	^[30]
1978	0.0015	クリスティー、ハリントン	^[31]
2006	0.00218	Buieら	^[32]

火星（左奥）、水星（右奥）、前列左から月、冥王星、ハウメア

冥王星は太陽系内のどの惑星よりも小さく、圧倒的に質量が少ない。冥王星の質量は地球の月の0.2倍以下であり、太陽系のほかの惑星には冥王星より質量が大きい衛星が7つもある。その7つの衛星は、ガニメデ、タイタン、カリスト、イオ、月、エウロパ、トリトンである。

もともと、冥王星は水星よりは大きく火星よりは小さいと考えられていた。冥王星のアルベドがほかの惑星に比べて高いうえに、カロンのアルベドを冥王星のそれに加算してしまっていたことが原因のひとつである（ハッブル宇宙望遠鏡の登場以前は、地上で冥王星とカロンを分離して観測できなかった）。実際には1つではなく2つの天体であると分かると、冥王星の大きさの見積もりは一気に小さくなった。その後、カロンによる冥王星の掩蔽の観測から冥王星の直径を決定することができるようになり、補償光学を用いた望遠鏡での観測により形状を決めることもできた。

冥王星は太陽系外縁天体の中では直径が最大である^[33]。2003年に発見された太陽系外縁天体のエリスは発見当時は冥王星よりも大きいとされていたがことがあったが、現在考えられている直径では冥王星よりも小さい。2015年 7月14日、NASAは探査機ニュー・ホライズンズによる測定で、冥王星の直径を2,370キロメートル、衛星カロンの直径を1,208キロメートルと発表した^[2]。

大気

ニュー・ホライズンズが冥王星を背後から撮影した画像。薄く青く輝いているのが窒素を始めとする大気。

冥王星ははっきりとした濃い大気は持っていない。詳細は下記に述べる。

公転による大気の変化

太陽に近づくと、おもに窒素、メタン、一酸化炭素からなる希薄な大気が冥王星を包み、表面にある固体の窒素や一酸化炭素の氷との間で平衡状態になる。冥王星が遠日点へと公転していき太陽から離れると、大気の大部分は凝固し、地表へと降下する。冥王星が再び太陽へ近づいていくと、冥王星の固体表面の温度が上昇し、固体窒素が昇華して気体となる。これが反温室効果をもたらす。この昇華する窒素は、人間の皮膚から蒸発する汗と同じように冷却効果を持つ。2006年にはサブミリ波干渉計を用いて、冥王星の表面温度が予想されていたよりも10ケルビン低いことが発見された^[34]。

恒星の掩蔽によって判明したこと

1985年の恒星の掩蔽（恒星食）の観測から、冥王星は大気を持っているということが分かった^[35]。この発見は1988年に起きた別の掩蔽の詳細な観測により確認され、著しく補強された。大気を持たない天体が恒星を掩蔽すると、恒星は瞬間的に消える。冥王星の場合、恒星は徐々に暗くなっていった。暗くなっていく割合から、冥王星の大気圧は、地球のおよそ70万分の1の0.15パスカルと分かった。

2002年には、冥王星による別の恒星の掩蔽の観測と分析が、パリ天文台^[36] のブルーノ・シカルディ、マサチューセッツ工科大学（MIT）^[37] のジム・エリオット、ウィリアムズ大学^[38] のジェイ・パサチョフが率いるチームによって行われた。冥王星が1988年よりも太陽から遠ざかっており、したがって冥王星はより気温が下がり大気濃度も減少しているはずだったが、驚くべきことに大気圧は従来の2倍の0.3パスカルと推定された。21世紀初頭現在、最有力な仮説は、冥王星の南極が1987年に120年ぶりに影から出たため、窒素が余分に極冠から昇華したという説である。過剰の窒素が大気から凝縮するには数十年がかかると考えられている。

MITとウィリアムズ大学のエリオットとパサチョフのチームと、レスリー・ヤング率いるサウスウエスト研究所のチームは、2006年6月12日に起きた冥王星によるさらに別の恒星の掩蔽をオーストラリアから観測した。

組成

冥王星の表面組成。赤は凍ったメタン。薄い色は凍った窒素。暗い色は水

{\ce {H2O}}

横から見た冥王星の公転を描いたアニメーション

冥王星の軌道は、太陽系の惑星と比較するとかなり異常である。惑星は黄道面と呼ばれる仮想の平面にかなり近い面を公転しており、軌道の形は真円に近い。対照的に、冥王星の軌道は黄道面から大きく傾いており（17°以上）、離心率が大きい（歪んでいて真円から遠い）。軌道が傾いているため、冥王星の近日点は黄道面よりもかなり北側に（-8.0au）ある。離心率が大きいことから、冥王星の軌道の一部は海王星よりも太陽の近くに入り込んでいる。

太陽からの距離

冥王星の軌道を天の北極方向から見た図。この「上から見た図」から、冥王星の軌道（赤）が海王星の軌道（青）と比べてかなり歪んでおり、冥王星が海王星より太陽の近くに入り込む時期があることが分かる。それぞれの軌道の半分の暗い部分は、惑星が黄道面の南側を通る部分を表している。それぞれの惑星の位置は2006年4月16日のものである。2007年4月にはそれぞれの惑星の位置はわずかに1ピクセル分ほどずれる。

近日点の近くでは、冥王星は海王星よりも太陽に近くなる。直近でこの現象が起こったのは1979年2月7日から1999年2月11日までである。数学的な計算によると、この現象は前回は1735年7月11日から1749年9月15日まで続いた。同様の計算から、そのさらに前の回は1483年4月30日から1503年7月23日までだったことが分かっており、この期間の長さはほとんど1979年から1999年までの期間の長さと等しい。冥王星が海王星の内側に入り込む期間は、微妙な変化はあるものの、約13年間と約20年間のものが交互に訪れると考えられている。

海王星との関係

冥王星と海王星とは、隣り合わせの天体であるため、特有の関連性が見られる。

接近

この図では冥王星（赤）と海王星（青）の相対的な位置関係を一部の日のものを抜粋して示している。海王星と冥王星の大きさは、比較を容易にするため、距離に反比例するように描いている。もっとも接近したのは1896年である。

冥王星の軌道は海王星の軌道と「交差している」と言われることがよくある。しかし実際は、冥王星の軌道の交点（軌道が黄道面と交差する点）は両方とも海王星の軌道の外側にあり、距離にして6.4au（すなわち、地球と太陽の間の距離の6倍以上、太陽と木星間の距離以上）も離れている。そのうえ、これらの天体は軌道共鳴状態にあるために、冥王星が2回公転する間に海王星は正確に3回公転する。このため、海王星と冥王星の軌道がもっとも近づいているところに海王星が達したとき、冥王星は軌道上ではるかに後ろにあり、代わって冥王星がその点に到達したときには、海王星は軌道上で50°以上も前方にあることになる。冥王星がもう1公転してこの点に到達したときには、海王星は軌道上で半周近く離れたところにある。その結果として、冥王星は軌道上のこの点では海王星の30au以内には決して近づかないことになる。

実際に海王星と冥王星がもっとも接近するのは、軌道上のほぼ反対側であり、冥王星が遠日点を通過して（前回の遠日点通過は1866年）から約30年後に海王星が冥王星に追いつく（海王星と冥王星の遠日点経度は似通っている）。距離が最小になったのは1896年6月のことで、18.9auまで近づいた。言い換えると、冥王星は土星にもっとも近づいたときよりも海王星に近づくことは決してないということである。

軌道

冥王星の軌道は海王星の軌道と3:2の軌道共鳴状態にある。海王星が冥王星に背後から近づくと、相互の重力によって互いにわずかに引かれ始め、トロヤ点を生じるような軌道上の同じ配列の間で相互作用する結果になる。軌道が歪んでいるため、3:2の比で軌道共鳴しているということは、海王星が常に冥王星と遠く離れたところにあることになり好都合である。冥王星が軌道を半周すると、冥王星は海王星にもっとも近づき、一見すると海王星が冥王星を捕獲しそうに見える。しかし冥王星は太陽からの重力的加速により速度を上げ、海王星の前方に留まり、冥王星の軌道の反対側で再び出会うまで前方に引かれる。

1990年代以降、冥王星以外に太陽系外縁天体（TNO）が多数見つかり、その一部は海王星と3:2の軌道共鳴状態にあった。このような軌道共鳴状態にあるTNOは冥王星にちなんで冥王星族^[41] と呼ばれている。

起源

1936年、冥王星はトリトンとともに海王星の衛星として形成され、衛星同士の重力相互作用により海王星の引力圏から飛び出したものだという説が発表された。トリトンの逆行軌道と冥王星の起源を同時に説明しようと試みたものだったが、下方修正された冥王星の質量に基づくのちの研究では、このメカニズムで現在の冥王星やトリトンの軌道を説明することは力学的に困難なことが示され、仮説は否定された^[42]。現在では冥王星やトリトンは太陽を取り囲む原始惑星系円盤で形成され、上記の説とは逆にトリトンが海王星に捕獲されたという考えが支持されている。

彗星との比較

エッジワース・カイパーベルトはすべての短周期彗星の供給源だと考えられており、冥王星も、ほかのエッジワース・カイパーベルト天体（外縁天体）と同様に、彗星が持つ一般的な特徴を持っている。太陽風によって冥王星の表面の物質はゆっくりと宇宙空間に吹き飛ばされており、これは彗星の場合と同様である^[43]。もし冥王星を太陽から十分近くに置けば、彗星のように尾が発達するだろうと考えられている^[44]。

脚注