木星・土星・海王星・天王星のガス惑星・巨大氷惑星を主に取り扱います。こういった惑星は質量が大きく、原始太陽系の成り立ちを探る上でも重要な天体ですので、原始太陽系円盤に興味がある人にもおすすめです。

太陽系最大の惑星、木星の内部は400万気圧を超えるような超高圧状態になっていると予想されています。木星内部の状態を実験室で再現することはできるのでしょうか？ダイアモンドアンビルセルを使って、金属水素を生成したとの最新論文が報告されましたので、紹介します。

【目次】
00:00 イントロ
00:32  本日紹介する論文
00:39  金属水素の予言
01:04  どうやって高圧環境をつくるか？
01:18  ダイアモンドアンビルセル
01:34  そもそも圧力って何？
02:23  なぜダイアモンドを使うか？
02:51  失敗続きの高圧実験
03:49  新型ダイアモンドアンビルセルの開発
04:15  世界初！金属水素の生成！
05:47  次のノーベル物理学賞
06:10  まとめ
06:44  もう一つの要素：温度

【紹介論文】
Synchrotron infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen. P. Loubeyre et al. (2020) Nature vol. 577, 631-626.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1927-3

【画像素材】
NASA, Pixabay、Space Engine

【字幕説明】
太陽系最大の惑星、木星。
地球の318倍の質量を持つ、この巨大ガス惑星の内部は、
圧力が400万気圧以上にも達し、
宇宙で最も軽いガスである水素ですら、金属になってしまうほどの、
超高圧の世界が広がっていると考えられています。
木星内部の超高圧状態を実際に、地球上で再現できるのでしょうか。
本日は、2020年1月29日にネイチャーに掲載された、
最新の実験論文をもとに紹介したいと思います。

そもそも木星内部にあると推定される、金属水素の存在が、
初めて理論的に予測されたのは、1935年のことです。
金属状態の水素は、室温で超伝導性を示すと予想されており、
非常に注目されている物質です。

宇宙で最も軽い元素である水素は、常温では気体ですが、
圧力をかけていくと、他の元素と同様に、
気体から液体、さらには固体となります。

それでは実験室でどのように超高圧状態を作り出せばよいでしょうか。
木星の内部に匹敵するような超高圧環境を実現するには、きっと、
ものすごく複雑で、巨大な装置が必要だろう、と考えたそこのあなた。
実際に、実験室で超高圧状態を作るのに使われているのは、
この写真のような、ダイアモンドアンビルセルと呼ばれる装置です。
え？こんなに小さい装置の？人間の力で圧力をかけてるの？
と思われたかもしれません。
実はここに、高圧物理の不思議な世界の本質が詰まっているのです。

そもそも、圧力とは何か、今一度考えてみましょう。
圧力とは、ある面にかかる力を、その面の面積で割った物理量です。
圧力を高くするには、面にかける力を強くすればいいのですが、
機械的にかけられる力にはどうしても限界があります。
しかし実はもう一つの方法があります。
圧力の大きさは、力を受ける面の面積に反比例することに着目しましょう。
つまり、力を受ける面の面積を極限まで小さくすることで、
圧力を極めて高くすることが可能なのです。

先ほど紹介したダイアモンドアンビルセルは、
まさにこの単純な原理を応用しています。
尖端を限界まで尖らせたダイアモンドの結晶を上下におきます。
そのあいだに試料を挟んで上下から、力をかけます。
こうすることで、惑星内部のような超高圧状態でも
地球上で再現することが可能となるのです。
ダイアモンドを使う理由は二つあります。
一つ目は、ダイアモンドは最も固い物質であるから。
二つめは、ダイアモンドは透明で、光を通すからです。
そのためダイアモンドの上下から、光や赤外線、X線など
各種の電磁波を照射することで、圧縮された試料を取り出すことなく、
そのままの状態で観測することが可能なのです。
また、装置が小型であることから、恒温槽などに入れることで、
温度を変えた測定も比較的簡単に行うことができます。

ここ30年ほどの間、ダイアモンドアンビルセルを使って、
実験室で金属水素を生成したとする報告が、何件か報告されました。
しかしいずれもデータの精度や解釈に疑問が持たれており、
信用に足りる報告はありませんでした。

従来のダイアモンドアンビルセルは2段型となっていて、
1段目で、ある程度の圧力にした後に、
2段目についている小さなダイアモンド結晶で、さらに圧力をかけます。
2段目のダイアモンド結晶は直径20マイクロメートル程度で、
人間の髪の毛の太さの数分の一しかありません。
そのため、2段目どうしを挟む時に、ダイアモンド同士が斜めに接触して、
滑ってしまうという問題がありました。

また水素のような揮発性の高い元素を圧縮すると、
壁をすり抜けて水素が漏れてしまい、
うまく圧縮できないという問題がありました。

そのため、ある研究チームで金属水素を生成したとの報告を受けて、
他の研究チームが同じような実験をしても、うまく再現できず、
実験結果の再現性に困難があったのです。

今回報告された論文では、フランス原子力庁の研究者たちが、
中心がドーナツ型のダイアモンドアンビルセルを開発して、
金属水素の生成に挑戦しました。

これによって、400万気圧を超えるような超高圧状態を、
精度良く安定的に実現することに成功しました。
さらにドーナツの中に水素をうまく閉じ込めることで、
水素を逃がすことなく効率よく圧縮することも可能となりました。

それでは、実験室で再現された木星内部の水素の様子を見ていきましょう。

こちらは圧力300ギガパスカル、水素が相転移を起こす前の状態です。
青い矢印で示されているところが、水素の試料です。
この状態ではまだ、水素は透明です。

ここからさらに圧力をかけて、315ギガパスカルになると、
水素が可視光を透過しなくなりました。
さらに圧力をかけて400ギガパスカルを超えてくると、
赤外線すら透過しなくなったことが観察されました。

この結果がまさに、水素が相転移を起こして金属状態に遷移したことを
示しています。木星内部の超高圧状態が実験室内でほぼ再現されたのです。

さらに重要なことは、今回の論文では、この状態から圧力を下げていくと、
水素が再び透明になって元の状態に遷移したことも確認されました。
そのため、実験結果の再現性も確保されている、という点で画期的です。

ただし、この状態の水素が確実に金属であることを証明するためには、
試料の電気伝導度を測る必要があります。
そもそも金属の定義の一つに、電気を通すというのがあります。
圧縮された状態の水素が電気を通すか計測することができれば、
この水素が本当に金属になったかどうかを証明することができます。
しかし超高圧状態の物質の電気伝導度の測定は、
いまだに非常に困難であり、まだしばらく時間がかかるでしょう。

そのため、今回の論文では、金属水素の生成に成功したとは書いておらず、
金属水素に相転移した状態の、非常に有力な証拠を発見した、
というやや控えめな表現となっています。

しかしこれだけでも非常に大きなステップです。
金属水素を確実に作ることができれば、
ノーベル物理学賞に匹敵する業績になると言われています。
金属水素を作ることができれば、
木星の内部状態を実験室内で再現することができるようになるだけでなく、
夢の常温超電導物質の実現につながり、
ロケット燃料などへの将来的な応用が期待されています。

本日のまとめです。
木星内部を地球上で再現できるのか？という疑問に対して、
1月29日に発表された論文で、”ほぼ実現された”となりました。
新たに開発されたトロイダル型のダイアモンドアンビルセルによって、
室内でも400万気圧を超える超高圧状態を再現できたのです。
ただし、生成された水素が本当に金属状態であることを証明するためには、
電気伝導度を計測する必要があり、
それにはまだ、しばらく時間がかかるでしょう。
超高圧状態を作ることよりも、
超高圧であるということを、きちんと証明することのほうが難しいのです。

実は今回の動画では紹介しなかった要素が一つあります。
今回の実験では木星内部の温度までは考慮していません。
今回の実験は80ケルビン（摂氏-193℃）という低温で行われています。
しかし木星内部の金属水素の領域は
温度が7000ケルビン以上に達するような高温環境だと推定されています。
しかし実験室で再現するのは、まだまだ先の話かもしれません。

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EARTH_SCIENCE

木星内部を実験室で再現できるか？【水素が金属になる世界】

今年の2月に発表されたジュノー探査機による観測から、木星の赤道域には太陽系の平均組成のおよそ3倍にもなる水が存在することがわかりました。これによって25年間におよぶ論争にひとまずの区切りがついたことになります。さらに今回の観測から、木星形成論や原始太陽系円盤にどのような制約が与えられたのでしょうか？

【目次】
0:00 序論
0:35 木星の大気構造
1:04 これまでの観測
1:43 論争をよんだガリレオ・プローブの観測結果
2:14 説明困難な観測データ
2:53 NASAジュノー探査機によるマイクロ波観測
4:24 木星形成論に対する示唆
4:48 まとめ

【参考文献】
C. Li et al. (2020) The water abundance in Jupiter’s equatorial zone. Nature Astronomy 4, 609-616.
https://doi.org/10.1038/s41550-020-1009-3

H.P. Larson et al. (1975) Detection of water vapor on Jupiter. Astrophys. J. 197, L137-L140.
http://adsabs.harvard.edu/full/1975ApJ...197L.137L

V. Kunde et al. (1982) The tropospheric gas composition of Jupiter's north equatorial belt (NH3, PH3, CH3D, GeH4, H2O) and the Jovian D/H isotopic ratio. Astrophys. J. 263, 443-467.
http://adsabs.harvard.edu/full/1982ApJ...263..443K

G.S. Orton et al. (1998) Characteristics of the Galileo probe entry site from Earth-based remote sensing observations. J. Geophys. Res. 103, E10, 22791-22814.
https://doi.org/10.1029/98JE02380

B. Ragent et al. (1998) The clouds of Jupiter: Results of the Galileo Jupiter Mission Probe Nephelometer Experiment. J. Geophys. Res. 103, E10, 22891-22909.
https://doi.org/10.1029/98JE00353

G.L. Bjoraker (2020) Jupiter's elusive water. Nature Astronomy 4, 558-559.
https://doi.org/10.1038/s41550-020-1086-3

【映像素材】
NASA-JPL/Caltech, NASA/Ames Research Center, Southwest Reseach Institute, GAPT.iaa.es, American Astronoomical Society, University of Copenhagen/Lars Buchhave

【字幕全文】
太陽系最大の惑星、木星には大量の水が含まれていると考えられています。
しかしこれまでの観測では水の存在量に関して、
説明するのが難しい観測値が報告されており、
長い間論争が続いてきました。
2020年2月10日にNature Astronomyで出版された、
NASAのジュノー探査機の観測によって、
とうとうこの論争に決着がつきました。
さらにこの観測から木星が誕生した頃の、
原始太陽系円盤に関する重要な情報が得られました。
早速詳しく見ていきましょう。

木星の主成分は水素とヘリウムですが、
それらに続いて3番目に多い元素が酸素です。
木星の大気中ではほぼ全ての酸素は水素と結合して、
水の状態で存在しています。
地球と同様に木星でも水は凝縮して雲を作ります。

しかし木星の雲の観測は容易ではありません。
木星大気には水の雲よりも高い高度に、
アンモニアの雲や、硫化水素アンモニウムの雲が存在するため、
水の雲を遮蔽してしまうからです。

初めて木星大気の水蒸気を観測したのは
1975年の カイパー空中天文台でした。
その後82年にボイジャー探査機、
95年にガリレオ探査機と立て続けに観測され、
木星大気には、太陽系の平均組成の1000分の1程度の水しかなく、
非常に乾燥しているという結果が得られました。

しかしこれらの観測は雲に覆われてない領域を主に対象にしており、
そういった領域はそもそも水が少ない場所であるため、
木星の平均的な組成とは異なるとの指摘がありました。
また、大気の上のほうの水蒸気量しか計測できていなかったため、
水が多いと予想される大気の深いところを観測する必要がありました。

95年に木星に到達したガリレオ探査機には、
大気に突入するプローブが搭載されており、
プローブで大気中の水蒸気量を直接計測することで、
論争に決着がつくと期待されました。

しかしガリレオプローブは予想外のデータを出してきました。
これまでの観測よりも深いところにプローブは到達していましたが、
水の存在量は太陽系の平均組成よりも低く、
予想されていた水の雲も検出されなかったのです。

このデータは多くの研究者を悩ませることになりました。
木星の周りには大きな氷衛星がいくつもあり、
木星が形成された当初は、
周辺に水が豊富にあったことを示唆しているからです。
また94年に木星に衝突したシューメーカー・レヴィー第9彗星のように、
外部からも水が継続的に供給されてきたはずです。
それにも関わらず、木星が太陽系の平均組成よりも、
乾燥しているというデータを、どのように説明すべきでしょうか。

様々な議論の末、学会内で主流の意見となったのが、
「ガリレオ・プローブはたまたま木星の乾燥した場所に突入しただけで、
平均的な木星大気には水が豊富に含まれているはずだ」
という解釈でした。

この解釈が果たして正しいのかどうかを確かめるため、
2016年に木星に到着したNASAのジュノー探査機によって、
大気中の水の観測が行われました。

大気の上層にあるアンモニア雲を透過できるように、
ジュノーではマイクロ波放射計による観測が行われました。
マイクロ波放射は身近なところでは、
電子レンジで使われていて、
水を精度良く検出できるのと同時に、
障害物を透過することができます。

ただし、それでも水の観測は容易ではありません。
まず木星自身が強力な電波を発しているため、
木星由来の放射成分を観測データから取り除く必要があります。
さらに、マイクロ波放射に敏感なのは水だけではありません。
木星に大量に存在するアンモニアのほうが吸収が強いため、
その影響をデータから慎重に取り除いていく必要があったのです。

これらの解析の結果、木星の赤道域の平均的な水の存在量は、
太陽系の平均組成の、およそ3倍程度であることがわかりました。
これによって、木星には水が豊富に含まれていることが初めて証明され、
従来の学会の主流派の考え方が正しいことが明らかになったのです。
こうして25年におよぶ論争にひとまずの区切りがつきましたが、
まだ完全に議論が収束したわけではありません。

この論文で報告されたのはあくまでも木星の赤道域のみであり、
他の緯度のデータは今後解析していく必要があります。
木星は緯度によって気象条件が大きく変わる惑星ですので、
赤道域のデータを全球平均と見なせるかどうかはまだわかりません。

もし仮に今回の赤道域の水のデータが、
木星の平均組成を代表しているとしたら、
木星が誕生したころの原始太陽系円盤の環境には、
どのようなことが言えるでしょうか。

これまで提案されてきた木星の形成論には、
水が枯渇した微惑星が集積して木星が形成されたというモデルや、
逆に水が豊富なクラスレートが集積するモデルがありました。
しかし今回の水の観測値を木星の平均値と解釈するなら、
そういった極端な木星形成モデルは、棄却されることになります。

ジュノーの観測データの更なる解析が、木星の起源だけでなく、
45億年前に原始太陽系円盤で起こったことを知る上での、
重要な手がかりを私たちに与えてくれるでしょう。

それでは今回もご視聴ありがとうございました。
面白かったという方は、ぜひチャンネル登録して頂けると嬉しいです。
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神出鬼没な木星の水。25年に及ぶ論争に決着がつく【NASAジュノー探査機の論文紹介】

天王星は自転軸が横倒しになっていることが特徴的ですが、惑星から放出される熱エネルギーが、他のガス惑星に比べて異常に低いことが、大きな謎となってきました。この動画では近年提案されてきた、天王星の謎を解決する新しいアイディアを紹介します。

(目次)
0:00 異常に小さい天王星の惑星放射
1:37 二つの仮説
2:19 内部で熱輸送を遮断？
3:01 巨大衝突の影響
4:06 待ち望まれる天王星探査ミッション

(参考文献)
Helled, R., Nettelmann, N. & Guillot, T. Uranus and Neptune: Origin, Evolution and Internal Structure. Space Sci Rev 216, 38 (2020).
https://doi.org/10.1007/s11214-020-00660-3

A. Vazan & R. Helled (2020) Explaining the low luminosity of Uranus: a self-consistent thermal and structural evolution. Astronomy & Astrophysics 633, A50.
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936588

C. Reinhardt et al. (2019) Bifurcation in the history of Uranus and Neptune: the role of giant impacts. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 492, 4, 5336-5353.
https://doi.org/10.1093/mnras/stz3271

K. Kurosaki & M. Ikoma (2017) Acceleration of Cooling of Ice Giants by Condensation in Early Atmospheres. The Astronomical Journal 153, 260.
https://doi.org/10.3847/1538-3881/aa6faf

【画像素材】
Space Engine, NASA/JPL-Caltech/GSFC, Jacob Kegerreis / Durham University, Calvin J. Hamilton

【字幕全文】
天王星は自転軸が横倒しになっていることが有名ですが、
実はもう一つ未解決の重要問題があります。

天王星から放出される惑星放射は他のガス惑星に比べて異常に低いのです。

惑星放射とは、固体惑星で言う 地熱のようなものに相当します。
惑星は誕生する時に物質を集積しますが、
この時に解放される重力の位置エネルギーと、
岩石に含まれる放射性元素の壊変熱が、惑星放射の源となります。
つまり惑星放射は、天体自身が発熱する温度に対応するのです。

ガス惑星の場合は岩石成分の割合が少ないため、
集積時の重力エネルギーが主要な熱源になります。

惑星放射を調べることで、
惑星が冷却していく過程を明らかにすることができ、
それはすなわち惑星の熱的な進化の歴史を追うことになるのです。

1986年に天王星をフライバイ探査したNASAのボイジャー2号によって、
天王星の惑星放射が計測されました。
その結果、天王星から放出されるエネルギーは、
太陽光の反射成分ばかりであり、
惑星自身が持つ熱源が、ほとんど存在しないことが明らかになりました。

天王星は他のガス惑星や海王星と比べて著しく惑星放射が小さく、
太陽系で最も温度の低い惑星であることが判明したのです。

特に謎とされたのが、天王星とほぼ同じ大きさ・組成を持つ海王星からは、
しっかりと惑星放射が観測されていることです。
そのため、なぜ天王星だけ、惑星放射が小さいのか説明が難しく、
惑星科学における重要な未解決問題となってきました。

このことを説明するために、二つの仮説が提案されてきました。
一つは、天王星は既に内部まで冷えてしまった天体であるという仮説。
もう一つは、天王星の内部はまだ熱い状態だが、
何らかの原因で熱が外に逃げておらず、温度が低いように見えているだけ、
という仮説です。

最初の仮説では、天王星だけ、
他の惑星に比べて冷却速度を速くする必要があります。

2017年に東京大学のグループが、大気中の水やメタン、
アンモニアなどのガスが凝縮して氷になることで、
従来の見積もりよりも速く 天王星を冷却できることを発見しましたが、
その後、冷却量が十分でないという反論があり、
さらなる検討を迫られています。

一方、2番目の仮説については、古くから検討が進んでおり、
比較的有力な説だと見なされてきました。
天王星の内部には熱の輸送を妨げる何らかの構造があり、
それによって天王星の内部は熱く、外側が冷たいという考え方です。

今年の1月に出版されたスイスのグループの論文では、
天王星内部の組成が大きく変わる領域で、熱の輸送が妨げられ、
45億年にわたって熱を外に逃がさず、
内部に熱を保持したままにできることが理論的に示されました。

しかしここで問題となってくるのは、天王星の内部構造が原因だとすると、
なぜ似たような組成を持つ海王星も同じようにならないのか、
という点です。

この疑問に対する一つのアイディアが巨大衝突です。
天王星の軸が横倒しになっていることを説明するために、
原始天王星に地球サイズの原始惑星が衝突したことで、
自転軸が倒れてしまった、というアイディアは古くからありました。

しかし巨大衝突が起こると、内部構造がかき乱されてしまい、
熱を内部に保持する機構が失われてしまいます。

これに対して、2019年のスイスのグループの論文では、
斜めの巨大衝突だった場合は、天王星の内部構造を破壊することなく、
熱を内部に保持する機構を維持できることが理論的に示されました。

また海王星には正面からの巨大衝突が起こったことで、
内部構造がかき乱され、熱を輸送しやすい構造になり、
また衝突による運動エネルギーも埋め込まれることで、
海王星からは現在でも内部からの熱が外に放出されている、
というシナリオが提案されました。

巨大衝突説は他にも、天王星の衛星たちの軌道分布も説明できるため、
天王星と海王星の作り分けも含めて、
様々な観測事実を統一的に説明できる、有力な仮説と見なされています。

ただし天王星については、まだまだ観測データが少ないため、
決定的なことを言えないのも事実です。

探査機による天王星の観測はボイジャー2号による、
1回のフライバイ探査しかなく、
天王星の内部構造や平均組成は大きな謎に包まれています。

これまでNASAの公募でも何度か、
天王星探査ミッションが提案されてきましたが、
まだ採択されるには至っていません。

太陽系で最も謎に満ちた惑星、天王星。
人類がその謎を解き明かす日はいつか来るのでしょうか。

それでは今回もご視聴ありがとうございました。
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天王星の消えた熱源の謎～30年以上未解決の難問

2000年代以降、観測技術の発展によって、私たちの太陽は、類似の他の恒星に比べて元素組成に異常があることがわかってきました。このことは太陽系の惑星にとって何を意味するのでしょうか？今年の2月に発表された論文から、太陽系形成時のあるイベントと密接な可能性を持つことが指摘されました。

(目次)
0:00 太陽の組成異常
1:15 様々な仮説
1:49 仮説の弱点
2:17 新たな仮説の登場　
3:57 あとがき

(参考文献)
R.A. Booth & J.E. Owen, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vol. 493, 5079-5088 (2020)
Fingerprints of giant planets in the composition of solar twins
https://doi.org/10.1093/mnras/staa578

L. Maltagliati, Nature Astronomy 4, 314 (2020)
Giant planets make it different
https://doi.org/10.1038/s41550-020-1083-6

【画像素材】
NASA, JPL, Pixabay, SpaceEngine

【字幕説明】
観測技術の発展に伴って、およそ10年前から
私たちの太陽は、他の太陽に似た恒星と比較して
化学組成に異常があるのではないか、という議論が出てきました。

特に、難揮発性元素と呼ばれる、惑星の岩石に含まれる主要成分が
他の太陽類似星と比較して、約10%少ないことがわかってきたのです。

もし太陽の化学組成に異常があるとすると、
太陽系の惑星たちに与える影響も甚大なものがあります。

なにしろ、太陽の質量は、太陽系の惑星や小天体を全てかき集めた
質量よりも圧倒的に大きく、太陽の化学組成がほぼイコール
太陽系の化学組成と言っても過言ではありません。

太陽に組成異常があるということ、
しかもそれが岩石の主要成分の異常となると、
私たちの惑星も異常だということになり、重大な話になります。

当初は、観測の誤差なんじゃないかとか、サンプル数が足りないのでは、
といった指摘があり、疑いの目で見る研究者もいましたが、
観測データの蓄積によって、もはや無視できない状況になってきました。

太陽系の近くにある、太陽と似たような温度、質量、金属比
を持つ太陽の双子星たちと比較すると、観測誤差では説明できない、
明らかな組成異常が太陽にあったのです。

この10年間で、太陽の化学組成の異常を説明するために、
大まかに分けて３つの仮説が提案されてきました。

1. 岩石惑星の形成によって、太陽でなく惑星に岩石成分が濃集した
2. 太陽系以前の分子雲で、塵によって岩石成分が除去された
3. 銀河の化学進化に起因する、つまり銀河の内側で誕生したか、
外側で誕生したかで、星の平均的な元素組成が異なることが原因

の３つです。

特に１の岩石惑星が形成されることで、太陽から岩石成分が
不足したという仮説が有力だと考えられてきました。

しかしこの仮説には一つ大きな欠陥があることが近年わかってきました。

この仮説に従うと、岩石惑星を持つ太陽類似星は
必ず岩石成分が不足することになります。

しかし実際の観測結果は、多くの太陽類似星にも
スーパーアースのような岩石惑星が存在することが明らかになったのです。

つまり、岩石惑星が形成されたことによって、
太陽から岩石成分が不足した、という説明が破綻したのです。

このような状況で、今年の4月2日にイギリスの王立天文学会月報に
掲載された論文が新しい仮説を提案しました。

この論文では、太陽の化学組成異常を説明するために、
従来の岩石惑星ではなく、木星と土星のガス惑星に着目します。

原始太陽系円盤で、ガス惑星が形成された場合と
形成されなかった場合で、円盤のモデル計算を行いました。

その結果、ガス惑星が形成された場合、ガス惑星の重力によって、
円盤の中にギャップ（隙間）が生じ、円盤の岩石成分が
ギャップの外側に貯められて、太陽への集積が妨げられました。
一方、円盤のガス成分は、あまり影響を受けず、
太陽に効率よく集積しました。

これによって、円盤の中で、ガス成分だけが選択的に
太陽に濃集し、相対的に岩石成分が不足した、
というのが今回の論文が提唱する仮説です。

この仮説によって、実際に太陽の岩石成分が
10%不足することを定量的に説明できたと報告しています。

また、他の太陽類似星で岩石成分の不足が
確認されている星では、ガス惑星や遷移円盤が発見されていることから、
今回の仮説はそういった観測事実とも調和的だとのことです。

今回提唱された仮説は、もちろんまだ出たばかりですので、
今後の検証を待たなければなりませんが、
あのNature Astronomyがわざわざニュースにしていることからも、
太陽の組成異常を説明する有力な仮説の一つとなりそうです。

今後、他の太陽系形成モデル、例えば近年着目されている
”グランド・タック・モデル”などとの整合性を
確認する必要があるでしょう。

太陽の化学組成の異常が、惑星誕生時の秘密を解き明かす
重要な鍵となっていくかもしれません。

それでは、ここまでご視聴頂き ありがとうございました。
このチャンネルでは、研究者が自ら動画を作成し、
最新科学の情報を発信するという、
今までになかった新しい試みに取り組んでいます。
「面白いな」とか「応援してやろう」と思って頂いた方は、
チャンネル登録して頂き、今後も興味を持った内容の回だけでも
ご視聴頂けると嬉しいです。
皆さんのご支援が、次回の動画を作成する時の、大きな励みとなります。
また、内容についてご意見がある方は、コメント頂けると幸いです。
どうそ、よろしくお願いします。

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太陽の化学組成に秘められた謎の異常【論文紹介】

惑星形成を左右する重要なパラメータであるスノーラインの挙動はこれまで静的なものとして仮定されてきた。しかし物質と温度場の相互作用によって生じるフィードバックによって、スノーラインの位置が大きく変動しうることが示された。これによって近年観測された原始惑星円盤の多重リング構造を説明できるかもしれない。

(目次)
0:00 スノーラインとは
0:55 物質と温度場の相互作用
2:02 振動するCOのスノーライン
2:23 原始惑星円盤の多重リング構造

(参考文献)
J.E. Owen. Snow lines can be thermally unstable. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 495, Issue 3, July 2020, Pages 3160–3174.
https://doi.org/10.1093/mnras/staa1309

Maltagliati, L. The wild dance of snow-lines. Nat Astron 4, 554 (2020). 
https://doi.org/10.1038/s41550-020-1134-z

(映像素材)
国立天文台 (NAOJ), ESO, ALMA, Woods Hole Oceanographic Institution

(字幕全文)
惑星が誕生する前の原始惑星円盤では、中心星に近いほど温度が高く、
遠いほど温度が低くなるような、温度勾配が生じます。
そのため惑星円盤に充満するガスは、内側では気体になり、
外側では固体、つまり氷の状態になります。
このガスと氷の境界はスノーラインと呼ばれ、
惑星形成を左右する非常に重要なパラメーターです。

スノーラインの内側で形成する惑星は基本的に岩石が主体となりますが、
スノーラインの外側では岩石に加えて氷が豊富に存在するため、
形成される惑星は巨大化し、氷を豊富に含むような惑星となります。
そのため、スノーラインがどこに存在するかによって、
生まれる惑星の大きさや組成に大きな影響を与えるのです。

従来の研究では、スノーラインの位置は固定されているか、
中心星の形成によって徐々に外側に移動していくと仮定されていました。

しかし今年の5月12日に王立天文学会月報に掲載された論文で、
スノーラインの位置を仮定せずに、より現実的な物理過程を用いて、
スノーラインの挙動を調べた研究が発表されました。

この論文の本質は、円盤中の物質と温度が、
相互に作用するフィードバックを初めて検討したことです。
円盤の温度が下がってガスが凝縮すると、そこでガスが氷となります。
すると今度は生成された氷が光を吸収するので温度に変化が生じます。
温度が変化すると、またスノーラインが移動して、
ガスが凝縮したり、氷が昇華したりします。
このように物質と温度が互いに影響しあうことで、
スノーラインの位置が大きく変動しうるのです。
こういったフィードバックは従来の研究では考慮されていませんでした。

実際に解析的なモデル計算と数値計算を行ったところ、
非常に興味深い結果が得られました。
円盤の主要なガス成分であるCOやCO2、窒素、アンモニアに関して、
スノーラインが大きく変動することが示されたのです。
一方で惑星円盤の最も主要な成分であるH2Oについては、
あまりこういった効果は見られませんでした。

特にCOのスノーラインに関しては驚くべき結果となりました。
原始惑星円盤中で、COのスノーラインが、50AUから30AUの間で、
千年から一万年程度のタイムスケールで何度も行ったり来たりするような、
熱的に不安定な挙動を示すことがわかったのです。

こういった性質の発見だけでも驚くべきことですが、
この論文は近年報告された原始惑星円盤の観測結果を解釈する上でも
重要な役割を果たしていくでしょう。

数年前からアルマ電波望遠鏡で多重リング構造を持った原始惑星円盤が、
多数発見され始めています。
これまでの通説では、こういった多重リング構造は、
惑星形成によって生じたギャップだと解釈されてきました。
しかしこういったサブミリ波の観測では物質のトレーサーとして、
COの分布を観測しています。
したがって、今回の論文で示されたような、
COのスノーラインが円盤中を何度も往復するような現象でも、
こういった多重リング構造を説明できる可能性があります。

今回の論文は6月3日のネイチャー・アストロノミーで、
ハイライト研究として取り上げられたことからも、
従来の解釈に一石を投じる新しい仮説として、
今後注目されていくと考えられます。

それでは今回もご視聴いただき、ありがとうございました。
面白かったと思いましたら、ぜひチャンネル登録して頂けると嬉しいです。
それではまた。

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原始惑星円盤におけるスノーラインの熱的不安定性【論文紹介】

土星のリングを地震計として使うことで、惑星の内部構造を探査するという驚くべき研究が近年進められています。これによって、従来の手法では知ることができなかった巨大惑星の深い領域の構造が明らかにされつつあります。

(目次)
0:00 イントロ
0:13 地震波による内部構造探査
0:38 長年の仮説
1:09 カッシーニ探査機による観測
1:33 土震学の幕明け
2:06 今後の発展
3:14 あとがき

(参考文献)
Mankovich, C. (2020). Saturn’s rings as a seismograph to probe Saturn’s internal structures. AGU Advances, 1, e2019AV000142. 
https://doi.org/10.1029/2019AV000142

Stevenson, D. J. (1982a). Are Saturn's rings a seismograph for planetary inertial oscillations? EOS Transactions of the American Geophysical Union, 63, 1020.
https://doi.org/10.1029/EO063i045p00889

Hedman, M. M., & Nicholson, P. D. (2013). Kronoseismology: Using density waves in Saturn's C ring to probe the planet's interior.
Astronomical Journal, 146(1), 12.
https://doi.org/10.1088/0004-6256/146/1/12

Fuller, J. (2014). Saturn ring seismology: Evidence for stable stratification in the deep interior of Saturn. Icarus, 242, 283–296.
https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.08.006

【映像素材】
NASA/GSFC/JPL, IRIS, SpaceEngine

【字幕全文】
巨大なリングを持つガス惑星、土星。
そのリングを地震計として使うことで、
土星の内部構造を調べようという驚くべき研究が近年進められています。

そもそも惑星や天体の内部構造を探査する上で、
地震波の利用は欠かせません。
地球の場合、巨大地震が起こると全球規模で惑星が振動するので、
地震波の伝搬過程を逆解析することで、
内部構造が推定されてきました。

また同様に、太陽表面の振動を観測する日震学や、
恒星の振動を観測する星震学によって、
天体の内部構造が詳しく調べられてきました。

土星のリングを地震計として使えないかというアイディアは、
今からおよそ40年近く前の、1982年に初めて提案されました。
土星内部の振動が重力の揺らぎとして外側に伝搬していき、
リングを構成する氷粒子の軌道に影響を与えることが、
理論的に予測されたのです。

このアイディアが提唱された背景には、1980年と81年に、
NASAの探査機 ボイジャー1号と2号が土星をフライバイし、
リングを初めて詳細に観測したことがきっかけとなっています。

このアイディアは長らく理論的な仮説にすぎませんでしたが、
2004年から観測が始まった土星探査機 カッシーニの登場によって、
初めてリングの高精度な観測が行われたことで、転機を迎えます。

カッシーニ探査機によって、背景の明るい恒星の前を、
リングが通過する際のタイミングの揺らぎを撮像することで、
リングの微小な振動を計測することに成功したのです。

これらの観測の結果は2013年から論文として報告され始め、
従来の手法より深い場所の内部構造について、
驚くべき発見がありました。

まずこれまでの予想では、
土星の深い場所では激しい対流が起きていると考えられてきましたが、
実際にはそのような対流は起こっておらず、
内部は安定した成層構造になっていることが示唆されたのです。

また、二つ目は土星の自転速度が、
従来の見積もりよりもわずかに速いことがわかっただけでなく、
深さに応じて自転速度が異なることも示唆されたのです。

土星のリングを地震計として使うという研究はまだ発展途上ですが、
今後の惑星科学に大きな影響を及ぼす可能性を秘めています。

これまで巨大惑星の内部構造を調べるため、
惑星が探査機に与える重力摂動を計測する手法が、
一般的に使われてきました。
しかしこの手法では表面に近い、
地下の浅い部分の構造しか計測できませんでした。

これに対してリングを地震計として使う手法では、
惑星の深いところの振動を検出できるため、
従来の手法と相補的に使うことで、
深いところから浅いところまで、
惑星全体の内部構造を明らかにできる可能性があります。

さらに重要なことは、土星のリングで実証できたということは、
リングを持つ 他の惑星にも応用可能である点です。
土星ほど立派ではありませんが、
木星、天王星、海王星はいずれも薄いリングを持ちます。
こういった天体にも「リング地震計」を応用できるかもしれません。

クロノサイズモロジー、日本語で土震学とも訳される、
この新しい探査手法は、巨大惑星の成り立ちだけでなく、
原始太陽系の起源を解明する上で、
今後重要な手法となっていくでしょう。

それでは今回もご視聴頂き、ありがとうございました。
厳しい暑さが続きますが、皆さん 体調に気を付けてお過ごしください。
それではまた。

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ガス惑星・原始太陽系円盤

原始惑星円盤におけるスノーラインの熱的不安定性【論文紹介】

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