土星に代表されるように、太陽系の天体のいくつかは環をもっています。
当初、知られていた輪を持つ天体は木星、土星、天王星、海王星など4つの巨大天体のみ。
なので、天体が環を持つにはある程度の大きさが必要だと考えられてきました。
それが、2014年に小惑星カリクローで環が発見されたのを皮切りに、現在ではキロンとハウメア、そしてクワオアーでも環が発見されているんですねー
ただ、キロンの環の存在には議論があり、存在しないという否定的な意見もあったりします。
このため、太陽系内で7番目ないし8番目に発見されたのが、クワオアーの環になります。
クワオアーの環は2023年2月の論文で発表されたばかりで、2018年から2021年にかけて得られた観測データの分析で判明しています。
小惑星が恒星の手前を横切ると、地球からは恒星が小惑星に隠されることで一時的に消えたように見えます。
これが星食と呼ばれる現象です。
環を持たない天体が横切る場合に恒星が消えるのは1回だけ。
でも、環を持つ天体の場合には、本体が横切る前後にも輪が横切るので、恒星は消えたり現れたりを何度か繰り返すことになります。
恒星が消えたように見えたタイミングや継続時間を厳密に測ることで、環から天体までの距離、環の幅や本数といった情報を得ることができます。
ただ、星食はめったに起こる現象ではないんですねー
通常は事前に環の存在を知る手段が無いので、ある天体に環が見つかるかどうかは、かなり偶然に左右されてしまいます。
この時の星食で予測されていたのは、タワオアーが“Gaia DR3 4098214367441486592（カタログ名）”という恒星の手前を横切る様子を、ハワイと北アメリカ大陸で観測できることでした。
このため、観測にはアメリカ、カナダ、メキシコの各天文台が参加しています。
すでに環の存在が示唆されていたので、この観測はタワオアー本体だけでなく、環の存在の有無を事前に想定して行える珍しい機会になりました。
その結果、タワオアーの詳しい形状の測定と、新たな環の発見に成功したわけです。
推定された最も長い部分での半径は約579.5キロ。
ただ、その形状は単純な球状やラグビーボール型（回転楕円体）ではなく、より複雑な“3軸不等楕円体”と呼ばれる形状でした。
それは、3軸に沿って測定した半径がすべて違う楕円体、言ってみれば“湯たんぽ”のような形状だと推定されています。
これまでは、平均半径約555.0キロのラグビーボール型であると推定されていたことを考えると、これは大きな違いでした。
環の半径は4057±6キロで、環には濃い部分と薄い部分があり、おそらく環の一部だけが弧状に濃くなっているようです。
さらに、今回新たに発見されたのが2本目の環“Q2R”でした。
2本目の環の半径は2520±20キロで、最初に見つかった1本目の環よりも内側にあり、幅も1本目より細いことが判明しました。
また、今回の観測では、1本目の環と異なり孤のような明確な構造が無いことも判明しています。
これは他の天体の環と大きく異なる特徴でした。
ロシュ限界とは、ある天体を公転する衛星の大きさを制限する値です。
主星の周りを公転する天体は、主星から潮汐力を受けます。
潮汐力の強さは、公転する天体の直径が大きいほど・主星に近いほど大きくなります。
そのため、主星にあまりに近く、ある程度の大きさを持つ天体は潮汐力により砕けてしまうので、存在できないことになるんですねー
この限界となる距離をロシュ限界と呼びます。
それらが存在しているのは、すべてロシュ限界の内側や境界部でした。
なので、環は潮汐力によって衛星になれない物質の集合体であるとみなされていました。
裏を返せば、ロシュ限界の外側では物質は集まってしまい衛星が形成されることになります。
そう、環は存在しないことになるんですねー
でも、クワオアーで発見された環は2本ともロシュ限界のはるか外側…
なので、この理論に反する存在になってしまいます。
それでも、クワオアーの環は衛星を形成することなく環のままで存在しています。
何か、ひと塊になるのを避ける物理現象が必要になるんですねー
そこで、研究チームが考えたのは、クワオアー本体の自転周期や、ウェイウォット（クワオアーの衛星）の存在がカギになっていることでした。
1本目の環の公転周期は、クワオアーの自転周期の3倍あり、ウェイウォットの公転周期の6分の1です。
2本目の環の公転周期は、クワオアーの自転周期の1.4倍なんですが、これは5：7という整数比で表すことができました。
このように、環や天体などの公転周期が、他の軌道要素と整数比になる関係を“軌道共鳴”と呼びます。
軌道共鳴の関係にある公転周期は安定していますが、それ以外の公転周期は不安定なので、公転周期に制約が生じてしまいます。
クワオアーの環の場合だと、環を構成する物質は軌道共鳴によって、かき乱されることで1つの塊になるのを妨げられていると同時に、散逸して環が消滅することも妨げられていると考えられます。
また、1本目の環にみられる孤のような構造も、軌道共鳴によって物質が偏った場所に集められていると考えることで説明が付きます。
さらに、ロシュ限界の外側に環が発見されたことで、環の形成に関する理論そのものにも見直しが迫られています。
今回、クワオアーに2本目の環が発見されたことで、ロシュ限界の外側にある環は珍しくない可能性が示されました。
今後、クワオアーの環の性質をさらに観測することで、環の性質や形成に関する理論が大幅に書き換えらるかもしれません。
すでに発見されている環にまつわる謎も解明されるといいですね。
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当初、知られていた輪を持つ天体は木星、土星、天王星、海王星など4つの巨大天体のみ。
なので、天体が環を持つにはある程度の大きさが必要だと考えられてきました。
それが、2014年に小惑星カリクローで環が発見されたのを皮切りに、現在ではキロンとハウメア、そしてクワオアーでも環が発見されているんですねー
ただ、キロンの環の存在には議論があり、存在しないという否定的な意見もあったりします。
このため、太陽系内で7番目ないし8番目に発見されたのが、クワオアーの環になります。
クワオアーの環は2023年2月の論文で発表されたばかりで、2018年から2021年にかけて得られた観測データの分析で判明しています。
細く暗い環を星食で見つける
小さな天体の環は極めて細く暗いので、望遠鏡で直接観測を行うことはできず、環を見つけるには“星食”を観測する必要があります。小惑星が恒星の手前を横切ると、地球からは恒星が小惑星に隠されることで一時的に消えたように見えます。
これが星食と呼ばれる現象です。
環を持たない天体が横切る場合に恒星が消えるのは1回だけ。
でも、環を持つ天体の場合には、本体が横切る前後にも輪が横切るので、恒星は消えたり現れたりを何度か繰り返すことになります。
恒星が消えたように見えたタイミングや継続時間を厳密に測ることで、環から天体までの距離、環の幅や本数といった情報を得ることができます。
ただ、星食はめったに起こる現象ではないんですねー
通常は事前に環の存在を知る手段が無いので、ある天体に環が見つかるかどうかは、かなり偶然に左右されてしまいます。
環の存在の有無を事前に想定した観測
タワオアーの環の初発見を報告した研究者を含む国際研究チームは、2022年8月9日に起きた星食の観測データを分析しています。この時の星食で予測されていたのは、タワオアーが“Gaia DR3 4098214367441486592（カタログ名）”という恒星の手前を横切る様子を、ハワイと北アメリカ大陸で観測できることでした。
このため、観測にはアメリカ、カナダ、メキシコの各天文台が参加しています。
すでに環の存在が示唆されていたので、この観測はタワオアー本体だけでなく、環の存在の有無を事前に想定して行える珍しい機会になりました。
その結果、タワオアーの詳しい形状の測定と、新たな環の発見に成功したわけです。
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| クワオアーとその環による星食を観測した天文台の位置。（Credit: C. L. Pereira, et.al.） |
クワオアーの形状
最初に判明したのは、タワオアー本体の詳しい形状でした。推定された最も長い部分での半径は約579.5キロ。
ただ、その形状は単純な球状やラグビーボール型（回転楕円体）ではなく、より複雑な“3軸不等楕円体”と呼ばれる形状でした。
それは、3軸に沿って測定した半径がすべて違う楕円体、言ってみれば“湯たんぽ”のような形状だと推定されています。
これまでは、平均半径約555.0キロのラグビーボール型であると推定されていたことを考えると、これは大きな違いでした。
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| 星食により推定されたクワオアー本体の形状。単純な球体やラグビーボール型ではなく、3軸不等楕円体と呼ばれる複雑な形状である可能性が高いことが分かった。（Credit: C. L. Pereira, et.al.） |
クワオアーの2本の環
また、2023年2月に発見が発表された環“Q1R”は、今回の観測でかなり正確な大きさと詳細な構造が判明しています。環の半径は4057±6キロで、環には濃い部分と薄い部分があり、おそらく環の一部だけが弧状に濃くなっているようです。
さらに、今回新たに発見されたのが2本目の環“Q2R”でした。
2本目の環の半径は2520±20キロで、最初に見つかった1本目の環よりも内側にあり、幅も1本目より細いことが判明しました。
また、今回の観測では、1本目の環と異なり孤のような明確な構造が無いことも判明しています。
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| “Gaia DR3 4098214367441486592”の明るさの変化。クワオアー本体や環が手前を横切ることによって明るさが変化している。今回の観測で2本目の環（Q2R）が発見された。また、1本目の環（Q1R）による明るさの変化が左右非対称なことから、片側に濃い部分が偏っていると推定された。（Credit: C. L. Pereira, et.al.） |
天体を公転する衛星の大きさを制限する値
クワオアーの2本の環はいずれも“ロシュ限界”の外側にあります。これは他の天体の環と大きく異なる特徴でした。
ロシュ限界とは、ある天体を公転する衛星の大きさを制限する値です。
主星の周りを公転する天体は、主星から潮汐力を受けます。
潮汐力の強さは、公転する天体の直径が大きいほど・主星に近いほど大きくなります。
そのため、主星にあまりに近く、ある程度の大きさを持つ天体は潮汐力により砕けてしまうので、存在できないことになるんですねー
この限界となる距離をロシュ限界と呼びます。
巨大惑星には、ロシュ限界の内側を公転する衛星もあるが、ロシュ限界で実際に天体が砕けるかどうかは天体の大きさや密度にも依存する。このため、小さく低密度な衛星はロシュ言外の内側でも存在することができると考えられている。
“ロシュ限界”の外側に存在する環
これまでに知られているクワオアー以外の環。それらが存在しているのは、すべてロシュ限界の内側や境界部でした。
なので、環は潮汐力によって衛星になれない物質の集合体であるとみなされていました。
裏を返せば、ロシュ限界の外側では物質は集まってしまい衛星が形成されることになります。
そう、環は存在しないことになるんですねー
でも、クワオアーで発見された環は2本ともロシュ限界のはるか外側…
なので、この理論に反する存在になってしまいます。
衛星になるのを避ける物理現象
これまでの理論に従えば、ロシュ限界のはるか外側にあるクワオアーの環は、100年足らずで1つの塊… つまり衛星になるはずでした。それでも、クワオアーの環は衛星を形成することなく環のままで存在しています。
何か、ひと塊になるのを避ける物理現象が必要になるんですねー
そこで、研究チームが考えたのは、クワオアー本体の自転周期や、ウェイウォット（クワオアーの衛星）の存在がカギになっていることでした。
1本目の環の公転周期は、クワオアーの自転周期の3倍あり、ウェイウォットの公転周期の6分の1です。
2本目の環の公転周期は、クワオアーの自転周期の1.4倍なんですが、これは5：7という整数比で表すことができました。
このように、環や天体などの公転周期が、他の軌道要素と整数比になる関係を“軌道共鳴”と呼びます。
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| 今回見つかった2本の環は、いずれもロシュ限界より外側にあり、クワオアーの自転周期またはウェイウォットの公転周期との軌道共鳴関係にあると考えられている。（Credit: C. L. Pereira, et.al. / 日本語部分加筆あり） |
クワオアーの環の場合だと、環を構成する物質は軌道共鳴によって、かき乱されることで1つの塊になるのを妨げられていると同時に、散逸して環が消滅することも妨げられていると考えられます。
また、1本目の環にみられる孤のような構造も、軌道共鳴によって物質が偏った場所に集められていると考えることで説明が付きます。
さらに、ロシュ限界の外側に環が発見されたことで、環の形成に関する理論そのものにも見直しが迫られています。
今回、クワオアーに2本目の環が発見されたことで、ロシュ限界の外側にある環は珍しくない可能性が示されました。
今後、クワオアーの環の性質をさらに観測することで、環の性質や形成に関する理論が大幅に書き換えらるかもしれません。
すでに発見されている環にまつわる謎も解明されるといいですね。
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