遠く離れた準惑星クワオアには環がないはずだが、環がある

科学者たちは、海王星の軌道の外側にある小さな物体の周囲にリング システムを発見しました。それ自体が驚くべき発見です。しかし、この観測には謎が伴います。あらゆる観点から見て、リング システムが存在するはずがないのに、なぜこのようなリング システムが存在するのでしょうか?

問題のリングは、太陽から 40 億マイル以上離れた小さな準惑星クワオアーを周回している。これは、地球と太陽の間の距離の約 44 倍にあたる。これほど小さくて遠い天体の周囲に密集したリングを見つけるのは簡単なことではないが、この発見をした国際研究グループを本当に驚かせたのは、リングがクワオアーから遠すぎる距離を周回しているように見えることだ。その距離では、準惑星の重力はリング内の個々の粒子を引っ張って衛星の形成を妨げるには弱すぎるはずだ。

「このリングは私たちが予想していた場所ではありません」とリオデジャネイロ連邦大学の天文学者で、ネイチャー誌に掲載された新しい論文の主著者であるブルーノ・モルガド氏はポピュラーサイエンス誌に電子メールで語った。「リングがどのように形成されたかについての私たちの知識が変わるかもしれません。」

アイダホ大学の物理学者マシュー・ヘドマン氏がネイチャー誌の同号に掲載された論評で述べたように、このことはクワオアの環のシステムが「そのような環がどのように維持されているかに関する現在の理解と矛盾する」ことになる。

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リングは塵や氷などの物質の塊でできており、惑星の周囲を円盤状に周回している。長年、天文学者に知られているリングは、1600年代に初めて観測され特徴づけられた土星の大きく美しいリングだけだった。1979年にボイジャー1号が木星を通過して初めて、太陽系最大の惑星にもリングシステムがあることが判明したが、土星ほど目立たなかった。現在では、太陽系のすべてのガス惑星にリングシステムがあることがわかっている。また、クワオアやエリス、冥王星と同様に太陽系外縁天体とみなされているフメアなど、いくつかの遠方天体にもリングが見つかっている。

クワオアーを除くこれらのリング系には共通点が 1 つあります。リングは、惑星本体のいわゆるロッシュ限界内で軌道を回っています。これは、惑星本体の重力がリングの物質が大きな塊に形成するのを阻止できなくなる距離です。この塊は最終的に衛星に融合します。限界内では、異なる高度にあるリング粒子の重力の強さが異なるため、粒子は分散したままになります。

しかし、クワオアーのロッシュ限界は中心から約 1,100 マイル離れている。高密度のリングは、準惑星の中心から 2,500 マイル離れたところを周回している。「これは、リング内の水氷の塊の相互重力が、クワオアーの重力の変動を簡単に圧倒することを意味します」とヘッドマンは書いている。「したがって、この物質が集まって衛星を形成しなかった理由については、別の説明が必要です。」

モルガド氏と彼の同僚は、いくつかの説明を考えている。1つは、リングの物質は比較的新しいもので、クワオアを周回する衛星との衝突によって生じたもので、再凝集する時間がなかっただけであるというものだ。しかし、彼らのコンピューターモデルでは、この物質は数十年以内に新しい衛星に凝縮すると示唆されているため、これはありそうにないと彼らは論文に書いている。

また、リングの素材自体がモデルが予測するよりも弾力性がある可能性もある。もしそうだとすれば、クワオアの重力による引き離しがなくても、それぞれの塊はくっつくよりも跳ね返る可能性が高いだろう。

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もう一つの可能​​性は、リング系が、クワオアーの衛星であるウェイウオットや、まだ発見されていない別の衛星など、他の天体の重力によって定期的に乱されているということだ。結局のところ、太陽系外縁天体の研究は非常に難しい。このリングの発見は、研究グループがさまざまな最先端の望遠鏡をクワオアーに持ち込んだからこそ可能になった。これには、欧州宇宙機関の ESA の CHaracterising ExOPlanet Satellite (Cheops) ミッションも含まれている。これは、準惑星を監視しながら背景の星の光の強度の変化を観察することでクワオアーのリングを検出できた宇宙望遠鏡である。

「これからは、クワオアーの観測を続け、このリングをより正確に特定し、また、リングが時間とともに変化するかどうか（そしてどのように変化するか）を調べる必要があります」とモルガド氏は言う。「また、ロッシュ限界をはるかに超えたところでリングがどのような状況で安定しているかを調べるために、より動的な研究とシミュレーションを行う必要があります。」

さらなる研究の結果によって、天文学者たちはロッシュ限界についての理解を変えざるを得なくなるかもしれない。クワオアーが例外である可能性もあるが、それは他の大きな構造、さらには太陽系外惑星や銀河などの軌道力学をより深く理解することを可能にするものだとモルガド氏は言う。

訂正（2023年3月2日）：当初の記事では、クワオアーは太陽から6兆マイル以上離れていると書かれていました。正しい距離は40億マイル以上です。