第11章巨大惑星The Giant Planets

Each of the giant planets has a strong magnetic field, generated by electric currents in its rapidly spinning interior. Associated with the magnetic fields are the planets’ magnetospheres, which are regions around the planet within which the planet’s own magnetic field dominates over the general interplanetary magnetic field. The magnetospheres of these planets are their largest features, extending millions of kilometers into space.

巨大惑星はそれぞれ、内部が速く回転する中で流れる電流によって生じる、強い磁場を持つ。この磁場に伴うのが、惑星の磁気圏である。磁気圏とは、惑星の周囲で、その惑星自身の磁場が一般的な惑星間磁場より優勢になる領域をいう。これらの惑星の磁気圏は、惑星が持つ特徴の中で最も広大なもので、宇宙空間へ数百万キロメートルも広がっている。

In the late 1950s, astronomers discovered that Jupiter was a source of radio waves that got more intense at longer rather than at shorter wavelengths—just the reverse of what is expected from thermal radiation (radiation caused by the normal vibrations of particles within all matter). Such behavior is typical, however, of the radiation emitted when high-speed electrons are accelerated by a magnetic field. We call this synchrotron radiation because it was first observed on Earth in particle accelerators, called synchrotrons. This was our first hint that Jupiter must have a strong magnetic field.

1950年代後半、天文学者は木星が電波源であり、その電波は波長が短い側ではなく、長い側で強くなることを発見した。これは熱放射、すなわちすべての物質内部の粒子の通常の振動によって生じる放射から予想されることとは、まったく逆である。しかし、このような振る舞いは、高速の電子が磁場によって加速されるときに放出する放射には典型的である。これをシンクロトロン放射という。地球上で、シンクロトロンと呼ばれる粒子加速器を使って最初に観測されたためである。この発見は、木星が強い磁場を持つに違いないことを示す、最初の手がかりになった。

Later observations showed that the radio waves are coming from a region surrounding Jupiter with a diameter several times that of the planet itself (Figure 11.8). The evidence suggested that a vast number of charged atomic particles must be circulating around Jupiter, spiraling around the lines of force of a magnetic field associated with the planet. This is just what we observe happening, but on a smaller scale, in the Van Allen belt around Earth. The magnetic fields of Saturn, Uranus, and Neptune, discovered by the spacecraft that first passed close to these planets, work in a similar way, but are not as strong.

その後の観測によって、この電波は木星を取り囲む、惑星本体の直径の数倍の広がりを持つ領域から来ていることがわかった（図11.8）。証拠が示していたのは、膨大な数の帯電した原子由来の粒子が、木星に伴う磁場の磁力線のまわりをらせん状に進みながら、木星の周囲を循環しているはずだということである。これは規模こそ小さいが、地球のまわりのヴァン・アレン帯で観測される現象とまさに同じである。土星、天王星、海王星の磁場は、各惑星の近くを初めて通過した探査機によって発見された。同様の働きをするが、木星ほど強くはない。

Inside each magnetosphere, charged particles spiral around in the magnetic field; as a result, they can be accelerated to high energies. These charged particles can come from the Sun or from the neighborhood of the planet itself. In Jupiter’s case, Io, one of its moons, turns out to have volcanic eruptions that blast charged particles into space and right into the jovian magnetosphere.

それぞれの磁気圏の内部では、帯電粒子が磁場の中をらせん状に運動する。その結果、粒子は高いエネルギーまで加速されることがある。これらの帯電粒子は、太陽から来ることも、惑星自身の周辺から来ることもある。木星では、衛星の一つであるイオで火山噴火が起こり、帯電粒子を宇宙空間へ、しかも直接木星の磁気圏へ噴き出していることがわかった。

The axis of Jupiter’s magnetic field (the line that connects the magnetic north pole with the magnetic south pole) is not aligned exactly with the axis of rotation of the planet; rather, it is tipped by about 10°. Uranus and Neptune have even greater magnetic tilts, of 60° and 55°, respectively. Saturn’s field, on the other hand, is perfectly aligned with its rotation axis. Why different planets have such different magnetic tilts is not well understood.

木星の磁場の軸、つまり磁北極と磁南極を結ぶ線は、惑星の自転軸と正確には一致せず、約10°傾いている。天王星と海王星の磁軸の傾きはさらに大きく、それぞれ60°と55°である。一方、土星の磁場は自転軸と完全に一致している。なぜ惑星ごとに磁軸の傾きがこれほど異なるのかは、よくわかっていない。

The physical processes around the jovian planets turn out to be milder versions of what astronomers find in many distant objects, from the remnants of dead stars to the puzzling distant powerhouses we call quasars. One reason to study the magnetospheres of the giant planets and Earth is that they provide nearby accessible analogues of more energetic and challenging cosmic processes.

木星型惑星の周囲で起こる物理過程は、死んだ恒星の残骸から、クエーサーと呼ばれる謎めいた遠方の強力なエネルギー源まで、天文学者が多くの遠い天体に見いだす現象の、より穏やかな形であることがわかってきた。巨大惑星や地球の磁気圏を研究する理由の一つは、そこに、もっと激しく調べにくい宇宙の過程に似た現象が、近くて観測しやすい形で存在することである。

Jupiter is 318 times more massive than Earth. Saturn is about 25% as massive as Jupiter, and Uranus and Neptune are only 5% as massive. All four have deep atmospheres and opaque clouds, and all rotate quickly with periods from 10 to 17 hours. Jupiter and Saturn have extensive mantles of liquid hydrogen. Uranus and Neptune are depleted in hydrogen and helium relative to Jupiter and Saturn (and the Sun). Each giant planet has a core of “ice” and “rock” of about 10 Earth masses. Jupiter, Saturn, and Neptune have major internal heat sources, obtaining as much (or more) energy from their interiors as by radiation from the Sun. Uranus has no measurable internal heat. Jupiter has the strongest magnetic field and largest magnetosphere of any planet, first discovered by radio astronomers from observations of synchrotron radiation.

木星の質量は地球の318倍である。土星は木星の約25％、天王星と海王星は約5％の質量を持つ。4惑星すべてに厚い大気と不透明な雲があり、自転は速く、その周期は10～17時間である。木星と土星には、液体水素の大きなマントルがある。天王星と海王星は、木星や土星、そして太陽に比べて、水素とヘリウムが少ない。どの巨大惑星も、地球質量の約10倍の「氷」と「岩石」からなる核を持つ。木星、土星、海王星には大きな内部熱源があり、太陽からの放射によって受け取るのと同じだけ、またはそれ以上のエネルギーを内部から得ている。天王星には測定可能な内部熱がない。木星は惑星の中で最も強い磁場と最大の磁気圏を持つ。その存在は、電波天文学者がシンクロトロン放射を観測したことで最初に発見された。