Dawn 探査機：自転軸の傾きによって変貌するケレスの氷地域の歴史

2006年から小惑星という分類から準（矮）惑星と呼称が変わったケレスは、木星から数百万マイル、土星からはさらに遠く離れていながらも、これら巨大なガス巨星から受ける強い重力の影響は、ケレスの天体運動に大きな影響を与え続けます。最新の研究では、NASA の Dawn ミッションの研究者らが、ケレスの自転軸の傾きは、約24,500年のサイクルで大きく変化することを計算から導いています。天文学者は、驚くほど短い時間でこのような劇的な偏差が起こっていると考えています。

ケレスの形成史上、アキシャルティルト（自転軸の傾き）の変化や「斜面」の変化は、ケレスの表面に凍結した水が存在する場所の大きな問題と関連していると、Geophysical Research Letters 誌に報告されています。ケレスのこうした条件により、氷は極寒の気温、例えば太陽が見えない地域でのみ生き残ることができるのです。
 

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このアニメーション（クリックすると動画表示. 832 KB）は、ケレスの北半球の照度が、軌道傾斜角に対してどのように変化するかを示しています。 三枚の画像領域は、2度、12度、および20度の傾斜に対して強調表示しています。
Image Credit : NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
 

カリフォルニア州パサデナにある NASA のジェット推進研究所のポスドク研究員であり、この研究の筆頭著者である Anton Ermakov は、「最大の斜面で影を描くクレーターと、氷のような明るい堆積物との間に相関があることを発見した。何百万年も太陽光が当たらない地域は、このような鉱床を持つ可能性が高い」と述べています。
 

奇妙なサイクル

過去三百万年の間、ケレスは自転の傾斜が約2度から約20度の範囲にあるサイクルを経験しており、計算に示されています。

NASA のゴダードスペースの共著者である Erwan Mazarico は次のように述べています。
「私たちはケレスの時間変化を直接観察することはできないので、Dawn 探査機で得た形状と重力の測定値を使って動的な歴史を正確に再現した」

矮惑星であるケレスが最後の約19度の傾斜に達したのは14,000年前だったと研究者らは述べました。参考までに地球の自転軸の傾きは23.5度です。この傾きは、私たちの地球も含めて季節を経験する重要な原因となります。北半球は太陽に向いている夏と太陽から離れている冬を経験します。対照的に、ケレスの現在の傾きは約4度であるため、1年（約4.6地球年）の間にそのような大きな季節の変化による影響はありません。
 

斜行する地形と氷の関係

アキシャルチルト（自転軸の傾き）が小さい場合、ケレスの比較的大きな領域は、特に極では直射日光を受けません。これらの永続的に陰影のある領域は、約800平方マイル（2,000平方キロメートル）の領域を占めます。しかし、傾斜が大きくなると、極地のクレーターの多くが太陽に直接さらされ、永続的に陰になった領域は、0.4～4平方マイル（1～10平方キロメートル）ほどに縮小してしまいます。
Dawn の科学者たちは、「高い仰角でさえ影を残しているケレスの表面上のこれらの領域は、表面の氷を維持するのに十分なほど冷たいかもしれない」と語りました。

長期間に渡って影になっているこれらのクレーターは、冷たくて寒くて揮発性物質（気化しやすい物質）がこの領域に移動すると10億年以上も逃げることができないため、この地域は「コールドトラップ」と呼ばれています。
Nature Astronomy の Dawn チームによる2016年の研究では、これらのクレータのうち10個に明るい物質が見つかり、Dawn の可視および赤外線マッピングスペクトロメータのデータには、氷が含まれていることが示されています。

新しい研究では、極域のクレータに焦点を当て、ケレスの軸方向の傾きがどのように変化するかをモデル化しました。北半球では、最大20度の傾斜で影に残っているのは、二つの持続的に陰影をつけた領域だけです。これらの地域の両方は、現在も明るいデポジットを保有しています。南半球では、最も斜めに影を付けられた二つの領域も存在し、そのうちの一つは明らかに明るい堆積物を有しています。
 

影の領域となった脈絡

ケレスは太陽系内で水星と地球の月に続き、三番目に永久に陰影のある領域があることが判った天体です。科学者たちは、ケレスに衝突した天体から氷を「受け取った」と推測しています。しかし、水星と月は、それぞれ太陽と地球の重力の影響によって、傾きにそのような広い変動性を持ちません。ケレスの「コールドトラップ」の氷の起源は、より神秘的です。ケレス自身から来ているかもしれませんし、他の小惑星や彗星から影響によって保たれているのかもしれません。あるいは「コールドトラップ」内の氷の存在は、2012年から13年の、ESA の Herschel Space Observatory によって検出された大気中の薄い水蒸気に関連する可能性があります。ケレス表面を離れた水分子は、ケレスに戻って「コールドトラップ」領域に着地し、そこで蓄積するというわけです。
 

「矮惑星ケレスの「コールドトラップ」のような地質学的歴史を水蒸気の放出（その後蓄積）によるものかどうかを含めて再構築し続ける中で、氷が長時間にわたって氷上で生き残ることができるという推論は、とても重要だ」と JPL 副所長の Carol Raymond は述べています。
 

Akira IMOTO

Editorial Chief, Executive Director and Board of Director for The Planetary Society of Japan

Japanese Translation : A. IMOTO TPSJ Editorial Office