自然科学研究機構 国立天文台

土星の衛星タイタンがひとりぼっちになった訳

研究成果

衛星形成のイメージ図
衛星形成のイメージ図。惑星形成時には、土星のようなガス惑星の周りをガスや塵が円盤状に取り巻き回転していた。この円盤の中で固体成分が集積して衛星が形成された。(クレジット:名古屋大学) オリジナルサイズ(2MB)

多数見つかっている土星の衛星の中でも、タイタンはひときわ大きな衛星です。土星とタイタンのように、ガス惑星が一つだけ大きな衛星を持つ衛星系はどのように作られるのか、これまでの研究では説明が難しいとされてきました。しかし今回、詳細なシミュレーション研究によって、このような衛星系の形成を可能にする「安全地帯」が惑星の周りに存在した可能性が導き出されました。土星とタイタンのような衛星系の成り立ちを説明するシナリオが、初めて提唱されたのです。

惑星の形成時には、惑星の周りを回転するガスや塵(ちり)などでできた円盤が形作られます。ガス惑星の周りを巡る衛星のいくつかも、この円盤の中で、同時に生まれると考えられています。しかし、仮にタイタンのような大きさにまで成長できたとしても、多くの衛星は円盤のガスから力を受けてだんだん惑星へと近づき、最終的には惑星に飲み込まれてしまうと考えられてきました。この問題を解決するためのさまざまな説が唱えられましたが、従来の理論では最終的に衛星が複数残ってしまいます。そもそも衛星が一つしか形成されなかったと仮定するほかには、衛星が一つだけの系の成り立ちを説明できませんでした。

衛星が円盤のガスから受ける力は、ガスの温度に大きく影響されるにもかかわらず、従来の研究では、円盤の温度や密度などは簡単化されていました。名古屋大学の藤井悠里特任助教と国立天文台の荻原正博特任助教による今回の研究では、円盤のガスや塵などによる熱の放射や吸収の影響を取り入れ、円盤の温度や密度の状態を詳細に計算しました。そして、実際の状態に近い円盤の中での衛星の運動を、重力多体シミュレーションによって詳しく解析しました。これらの計算には、国立天文台が運用する「計算サーバ」が用いられました。

解析の結果、円盤の中に、惑星へ近づく向きとは反対の向きに衛星が移動する「安全地帯」が存在する場合があることを発見しました。さらに詳細な計算の結果、この「安全地帯」の周辺は、衛星の軌道の内側と外側の温度差が塵の影響で特に大きくなる領域であることが分かりました。この急な温度差によって、内側のガスから受ける力と外側のガスから受ける力に差が生じるために、衛星が外側に押され、衛星が惑星へと近づくことなくとどまる領域ができていたのです。このような「安全地帯」に一時的に衛星が捕えられ、円盤のガスが散逸するまで生き残ると、衛星が一つだけの系の形成が可能であることが示されたのです。

この研究成果は、Y. I. Fujii and M. Ogihara “Formation of single-moon systems around gas giants” として、欧州の天文学専門誌『アストロノミー・アンド・アストロフィジクス』に2020年3月9日付けで掲載されました。

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