土星

木星に次いで太陽系で2番目に大きな惑星であり、直径は地球の約9.4倍、質量は約95倍である。しかし、土星は太陽系の中で一番密度が低く、平均密度は水よりも軽く約0.68となっている。そのため、仮に水に浮かべる事ができるとすれば、水に浮くことになる。実際には上層大気の密度が非常に薄く、中心部は水よりも重い物質で出来ている。

土星は明らかに上下に潰れて見え扁平である。（扁平率は0.108。）赤道と極での直径は約10％も異なっている（120,536 km と 108,728 km）。これは土星の高速な自転と流動体の性質による。他のガス惑星も扁平ではあるが、土星ほどではない。

土星の内部は木星と似ている。中心に岩石の核を持ち、その上に液体金属水素の層、分子水素の層を持つ。様々な氷も存在している。土星の内部は高温であり、核では12,000K に達し、土星が太陽から受けているよりも多くのエネルギーを放出している。このエネルギーのほとんどは、ケルビン・ヘルムホルツ不安定（ゆっくりとした重力による圧縮）により生成されていると考えられているが、これだけでは熱産生の全てを説明できないかもしれない。そのうちの一つに、ヘリウムの雨によるという説がある。それによると土星中心部の液体水素の中をヘリウムの水滴が落ちる際に生じる摩擦で、いくらかの熱が生成されていると考えられている。

土星の大気には木星と同じような帯が存在しているが、木星よりもぼんやりしており赤道面でより太い。ボイジャーにより観測されるまで雲のパターンの観測は困難であった。それ以降、地上の望遠鏡には常に土星の大気を観測できる程度に改善された。土星の大気は楕円形をしている以外は木星と良く似ている。1990年にハッブル宇宙望遠鏡が土星の赤道付近に大きな白い雲を観測した。これはボイジャーが観測した時点では見られなかったもので、1994年にもう一度小さい物が観測されている。赤外線写真の解析より、土星は極が最も温度が高くなっている。この特徴は太陽系内で唯一の物である。

土星の環

土星の環は惑星の環としては最もよく知られている物といえる。土星の衛星と環に土星の環の一覧がある。

歴史

これは1610年にガリレオ・ガリレイによって初めて観測された。しかし、望遠鏡の性能が良くなかったために、ガリレオは輪になっていることを把握できなかった。その様子をトスカーナ大公へ書き送っている。「土星は一つではなく3つの星の集まった物です。それらはお互いに結合しており、動いたり変化したりすることはありません。これらは黄道上を同様に行き来し、中心になる土星と、その横にリングのようにくっついた構造をしています。」彼はまた、土星には耳があるとも書いている。1612年に土星の向きが変わり地球から環を観測できなくなった。1613年に再び見えるようになり、ガリレオをさらに悩ませた。

土星の環の謎は1655年にクリスティアーン・ホイヘンスがガリレオよりも数段優れた望遠鏡で観測するまで解からなかった。1675年にジョヴァンニ・カッシーニは土星の環は間をあけた複数の輪で構成されていることを発見した。彼の名にちなんでA環とB環の隙間にはカッシーニの間隙と名付けられている。またA環内にはエンケの間隙と呼ばれるカッシーニの間隙よりも細い隙間が存在する。これはドイツの天文学者フランツ・エンケにちなんでつけられたものだが、現在のエンケの間隙はジェームズ・キーラーによって発見されたものである。A環にはキーラーの空隙と呼ばれる隙間も存在する。

物理的特徴

最近の望遠鏡や性能のいい双眼鏡を使えば土星の環は普通に観測することができる。環は土星の赤道から 6,630 km から 120,700 km の距離まで広がっており、シリカや酸化鉄、氷の粒子などで構成されている。粒子は細かい塵状のものから、小さな自動車程度の物まで様々である。土星の環の起源については有力な説が2つある。一つは19世紀にエドゥアール・ロシュが唱えた説で、土星の衛星が土星に近づきすぎて潮汐力によって破壊されたというものである。この前提として、破壊された衛星に彗星や小惑星が衝突したとされている。もう一つはリングの構成物は元々衛星ではなく、土星形成時の星雲の成分がそのまま外に残った物という説である。後者で形成された場合土星の環は数百万年も形状を維持できるほど安定していないため、この説は今日ではそれほど広くは受け入れられていない。

地球から見る限り土星の環は最も大きなカッシーニの間隙とエンケの間隙のみ見ることができるが、ボイジャーは土星の環に何千もの空白区間があることを発見した。この構造からは土星にある多くの月の副産物と考えられる。土星の環は内側から順にD環、C環、B環、A環、F環、G環、E環があるが、F環、G環はよじれた構造をしており、特にF環は、羊飼い衛星のパンドラとプロメテウスの二つの衛星によって形を維持していると考えられている。また、月の運動以外では粒子同士の重力的共鳴現象によって環を形作っている物と考えられる。

環の夜側

太陽から照らされた面と、その反対（夜側）とでは環は全く異なったように見える。

Saturn-cassini-March-27-2004.jpg : 2004年 3月27日; リングの昼側と、土星の陰が落ちた夜側が両方見えるアングル。リングの陰も土星に落ちているのが見える。B環は最も明るく見える]]

SAT 79HC432.jpg : 1979年 9月11日;リングの夜側。殆どのリングが黒く見える。また、リングのほとんどの部分が薄く写っており見ることができない。]]

Saturn unlit rings.jpg : 2004年 10月27日; リング夜側の細部。B環は最も暗く写っている]]

夜側から見る環はかなり暗く、特にB環はほとんど黒に見える。地球からは土星の夜側を見ることができないので、宇宙探査機のみがこれを観測することができる。カッシーニは25年ぶりに土星の夜側を撮影した。

環のスポーク

Voyager ring spokes.jpg B環のスポーク。ボイジャー2号撮影]] 1980年まで、土星の環の構造は土星の重力のみによって形作られると説明されてきた。しかし、ボイジャーはB環のなかに暗い放射状の構造を発見した。これはスポークと呼ばれ、重力による環の軌道運動だけでは説明できない物だった。この現象は土星の環がほぼ土星の磁場圏内を運動しているため、環を構成している粒子の電磁作用によって生じていると考えられている。しかしスポークが形成される原因ははっきりと分ってはいない。

2005年2月、カッシーニはボイジャーと同等以上の精度で環を撮影したが、スポークのような物は一切見られなかった。このため、スポークは現れたり消えたりする物と考えられる。

土星探査

パイオニア11号

土星に始めに接近したのはパイオニア11号である。20,000kmの距離から土星と、いくつかの衛星についてあまり解像度の高く無い写真を撮影した。解像度は表面の大気を識別できる程鮮明ではなかった。しかし、太陽側から見たときには薄いF環と暗い間隙が明るく見えることを発見した。これは間隙は何もないのではなく、何かがあることを示している。また、タイタンの温度を測定した。

ボイジャー

1980年11月にボイジャー1号が土星に接近した。この時初めてこの惑星、衛星、環の高解像度の写真が得られた。特に多くの衛星について地表の画像が初めて得られた。また、タイタンに接近したことによりこの衛星の大気についての多くの情報を得た。しかし、タイタンの大気は可視光を通さない物であったため、地形についての詳細なデータは得られなかった。また、この接近によりボイジャー1号は太陽系軌道を離れた。

約1年後の1981年10月、ボイジャー2号が土星に接近した。大気や環の変化が分る程より拡大した衛星の画像が得られた。接近中にカメラの不良が起こり、計画していたいくつかの画像を撮影できなかった。これは土星の重力が天王星側のボイジャーの軌道にまで影響を及ぼしていたためである。

探査機は環の内部や近辺に多くの衛星を発見した。また、マックスウェルの空隙とキーラーの空隙も発見した。

カッシーニ

2004年 7月1日、カッシーニは土星軌道に乗り長期間探査（SOI, Saturn Orbit Insertion）を開始した。この探査以前に土星についての研究は大幅に進んだ。2004年6月、カッシーニは土星に接近し、高解像度の画像を送ってきた。2004年 12月25日にタイタンにホイヘンスを投入するまでにタイタンに2度接近した。2005年 1月25日、ホイヘンスはタイタンの表面に投下され、大気通過中や着陸後に数多くの画像を送ってきた。2005年内はカッシーニがタイタンや多くの小衛星に接近を行う。2008年にミッションを終了するまでに土星軌道を78回周回する予定である。

土星の衛星

土星の衛星と環の欄を参照。土星には多くの衛星が発見されており、2005年現在、47個の衛星が発見もしくは確認中でありそのうち35個に名前が付けられている。土星の環はこれらの衛星と深く関係があり、大きな環と比べてこれらの小さな衛星の軌道を正確に知ることは困難である。土星で最も大きな衛星であるタイタンは太陽系にある衛星の中で唯一濃い大気を持つものである。

土星の潮汐力により、これらの衛星は元々あった場所とは異なる軌道を描いていると考えられている。

人類と土星

歴史と神話

英名サターンはローマの農耕神サトゥルヌスに由来。太陽から遠く運行が遅いことから年老いた神の名が付けられた。習合されるギリシャの農耕神はクロノス。

惑星記号

天動説時代に第五惑星とされたため、アラビア数字「5」を図案化したものが、占星術・天文学を通して用いられる。数字「5」に農耕神の持ち物である鎌の意匠が付与された記号デザインが一般的である。

外部リンク

ザ・ナインプラネッツ日本語版(土星)

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物理的性質