第12章環・衛星・冥王星Rings, Moons, and Pluto

Io, the innermost of Jupiter’s Galilean moons, is in many ways a close twin of our Moon, with nearly the same size and density. We might therefore expect it to have experienced a similar history. Its appearance, as photographed from space, tells us another story, however (Figure 12.7). Instead of being a dead cratered world, Io turns out to have the highest level of volcanism in the solar system, greatly exceeding that of Earth.

ガリレオ衛星の最も内側にあるイオは、大きさも密度もほぼ同じで、多くの点で地球の月とよく似た双子のような存在である。したがって、似た歴史をたどったと予想してもよいだろう。しかし宇宙から撮影された姿は、別の物語を語っている（図12.7）。クレーターに覆われた死んだ世界であるどころか、イオは太陽系で最も火山活動が活発で、その活動は地球をはるかに上回っていることがわかった。

Io’s active volcanism was discovered by the Voyager spacecraft. Eight volcanoes were seen erupting when Voyager 1 passed in March 1979, and six of these were still active four months later when Voyager 2 passed. With the improved instruments carried by the Galileo spacecraft, more than 50 eruptions were found during 1997 alone. Many of the eruptions produce graceful plumes that extend hundreds of kilometers out into space (Figure 12.8).

イオの活発な火山活動は、ボイジャー探査機によって発見された。1979年3月にボイジャー1号が通過したとき、8つの火山が噴火しており、4か月後にボイジャー2号が通過したときにも、そのうち6つは活動を続けていた。ガリレオ探査機に搭載された改良型の機器では、1997年だけでも50回を超える噴火が見つかった。多くの噴火は優美な噴煙を生み出し、宇宙空間へ数百キロメートルも延びる（図12.8）。

The Galileo data show that most of the volcanism on Io consists of hot silicate lava, like the volcanoes on Earth. Sometimes the hot lava encounters frozen deposits of sulfur and sulfur dioxide. When these icy deposits are suddenly heated, the result is great eruptive plumes far larger than any ejected from terrestrial volcanoes. As the rising plumes cool, the sulfur and sulfur dioxide recondense as solid particles that fall back to the surface in colorful “snowfalls” that extend as much as a thousand kilometers from the vent. Major new surface features were even seen to appear between Galileo orbits, as shown in Figure 12.9.

ガリレオのデータによれば、イオの火山活動の大半は、地球の火山と同じように、高温のケイ酸塩溶岩によるものである。高温の溶岩が、凍った硫黄や二酸化硫黄の堆積物に出会うこともある。こうした氷状の堆積物が急激に加熱されると、地球の火山から出るものよりはるかに大きな噴煙が生じる。噴煙が上昇して冷えると、硫黄と二酸化硫黄は再び凝結して固体粒子になり、色とりどりの「降雪」として表面へ戻る。その範囲は噴出口から1000キロメートルにも達する。図12.9に示すように、ガリレオが周回する間に、大規模な新しい表面の特徴が現れる様子さえ見られた。

As the Galileo mission drew to a close, controllers were willing to take risks in getting close to Io. Approaching this moon is a dangerous maneuver because the belts of atomic particles trapped in Jupiter’s magnetic environment are at their most intense near Io’s orbit. Indeed, in its very first pass by Io, the spacecraft absorbed damaging radiation beyond its design levels. To keep the system working at all, controllers had to modify or disable various fault-protection software routines in the onboard computers. In spite of these difficulties, the spacecraft achieved four successful Io flybys, obtaining photos and spectra of the surface with unprecedented resolution.

ガリレオ計画が終わりに近づくと、管制担当者はリスクを取ってイオへ接近することにした。イオへの接近は危険な操作である。木星の磁気環境に捉えられた原子由来の粒子の帯は、イオ軌道付近で最も強烈だからだ。実際、イオのそばを最初に通過した際、探査機は設計上の限度を超える有害な放射線を浴びた。システムを何とか動かし続けるために、担当者は搭載コンピューターのさまざまな障害保護ソフトウェアの処理を、修正したり無効にしたりしなければならなかった。こうした困難にもかかわらず、探査機は4回のイオ・フライバイに成功し、かつてない解像度の表面写真とスペクトルを得た。

Maps of Io reveal more than 100 recently active volcanoes. Huge flows spread out from many of these vents, covering about 25% of the moon’s total surface with still-warm lava. From these measurements, it seems clear that the bright surface colors that first attracted attention to Io are the result of a thin veneer of sulfur compounds. The underlying volcanism is driven by eruptions of molten silicates, just like on Earth (Figure 12.10).

イオの地図には、最近まで活動していた火山が100を超えて見つかる。多くの噴出口から巨大な溶岩流が広がり、衛星の全表面の約25％を、まだ温かい溶岩で覆っている。これらの測定から、最初にイオへ関心を集めた明るい表面の色は、硫黄化合物の薄い上掛けの層によるものだと明らかに思える。その下の火山活動を駆動するのは、地球と同じように、溶けたケイ酸塩の噴出である（図12.10）。

How can Io remain volcanically active in spite of its small size? The answer, as we hinted earlier, lies in the effect of gravity, through tidal heating. Io is about the same distance from Jupiter as our Moon is from Earth. Yet Jupiter is more than 300 times more massive than Earth, causing forces that pull Io into an elongated shape, with a several-kilometer-high bulge extending toward Jupiter.

イオは小さいのに、どうして火山活動を続けられるのだろうか。先にほのめかしたように、答えは潮汐加熱を通じた重力の効果にある。イオと木星の距離は、地球の月と地球の距離とほぼ同じである。しかし木星の質量は地球の300倍以上もあり、その力がイオを細長く引き延ばす。木星へ向かって、高さ数キロメートルの膨らみができるのである。

If Io always kept exactly the same face turned toward Jupiter, this bulge would not generate heat. However, Io’s orbit is not exactly circular due to gravitational perturbations (tugs) from Europa and Ganymede. In its slightly eccentric orbit, Io twists back and forth with respect to Jupiter, at the same time moving nearer and farther from the planet on each revolution. The twisting and flexing heat Io, much as repeated flexing of a wire coat hanger heats the wire.

イオが常にまったく同じ面を木星に向けていたなら、この膨らみは熱を生じない。しかし、エウロパとガニメデからの重力による摂動、つまり引っ張りのため、イオの軌道は完全な円ではない。わずかに離心率のある軌道を進むイオは、木星に対して前後にねじれるように向きを変え、同時に、一周する間に木星へ近づいたり遠ざかったりする。このねじれとたわみがイオを加熱する。針金のハンガーを繰り返し曲げると針金が熱くなるのと、よく似ている。

After billions of years, this constant flexing and heating have taken their toll on Io, driving away water and carbon dioxide and other gases, so that now sulfur and sulfur compounds are the most volatile materials remaining. Its interior is entirely melted, and the crust itself is constantly recycled by volcanic activity.

何十億年も続くこの絶え間ない変形と加熱は、イオに大きな影響を及ぼし、水や二酸化炭素などのガスを追い出してきた。その結果、現在残っている物質のうち、最も揮発しやすいものは硫黄と硫黄化合物になっている。内部は完全に溶けており、地殻自体も火山活動によって絶えず作り直されている。

In moving inward toward Jupiter from Callisto to Io, we have encountered more and more evidence of geological activity and internal heating, culminating in the violent volcanism on Io. Three of these surfaces are compared in Figure 12.11. Just as the character of the planets in our solar system depends in large measure on their distance from the Sun (and on the amount of heat they receive), so it appears that distance from a giant planet like Jupiter can play a large role in the composition and evolution of its moons (at least partly due to differences in internal heating of each moon by Jupiter’s unrelenting tidal forces).

カリストからイオへ、木星に向かって内側へ進むにつれ、地質活動と内部加熱の証拠は増え続け、イオの激しい火山活動で頂点に達した。図12.11では、このうち3つの表面を比較している。太陽系の惑星の性質が、太陽からの距離と、受け取る熱の量に大きく左右されるのと同じように、木星のような巨大惑星からの距離も、衛星の組成と進化に大きな役割を果たすように見える。少なくともその一部は、木星の絶え間ない潮汐力によって生じる内部加熱が、衛星ごとに違うためである。

In 2023, the European Space Agency launched the Jupiter Icy Moons Explorer spacecraft (abbreviated Juice) to explore Europa, Ganymede, and Callisto. It will arrive in the Jupiter system in 2031, fly by the moons of interest, and eventually go into orbit around Ganymede.

2023年、ヨーロッパ宇宙機関は、エウロパ、ガニメデ、カリストを探る木星氷衛星探査機（略称Juice）を打ち上げた。2031年に木星系へ到着し、対象の衛星をフライバイした後、最終的にガニメデの周回軌道へ入る予定である。