第12章環・衛星・冥王星Rings, Moons, and Pluto

From 1996 to 1999, the Galileo spacecraft careered through the jovian system on a complex but carefully planned trajectory that provided repeated close encounters with the large Galilean moons. More recently, the Juno spacecraft, also a Jupiter orbiter, has provided a few close looks at Ganymede and Europa. (Beginning in 2004, we received an even greater bonanza of information about Titan, obtained from the Cassini spacecraft and its Huygens probe, which landed on its surface. We include Titan, Saturn’s one big moon, here for comparison.) Table 12.1 summarizes some basic facts about these large moons (plus our own Moon for comparison).

1996～1999年、ガリレオ探査機は、複雑だが慎重に計画された軌道をたどって木星系を飛び回り、大きなガリレオ衛星に繰り返し接近した。さらに最近では、同じく木星周回機であるジュノーが、ガニメデとエウロパの近接観測をいくつか行った。2004年からは、カッシーニ探査機と、タイタン表面に着陸したホイヘンス・プローブによって、タイタンについてさらに豊富な情報が得られた。ここでは比較のため、土星でひときわ大きな衛星であるタイタンも含める。表12.1に、これらの大きな衛星の基本的な情報をまとめる。比較のため、地球の月も載せてある。

We begin our discussion of the Galilean moons with the outermost one, Callisto, not because it is remarkable but because it is not. This makes it a convenient object with which other, more active, worlds can be compared. Its distance from Jupiter is about 2 million kilometers, and it orbits the planet in 17 days. Like our own Moon, Callisto rotates in the same period as it revolves, so it always keeps the same face toward Jupiter. Callisto’s day thus equals its month: 17 days. Its noontime surface temperature is only 130 K (about 140 °C below freezing), so that water ice is stable (it never evaporates) on its surface year round.

ガリレオ衛星の話を、最も外側のカリストから始めよう。それは特別に目立つ存在だからではなく、むしろそうではないからである。そのため、ほかのもっと活発な世界と比較するのに便利な対象になる。木星からの距離は約200万キロメートルで、17日で一周する。地球の月と同様、自転周期と公転周期が同じなので、いつも同じ面を木星に向けている。したがってカリストでは、1日が1か月に等しく、どちらも17日である。正午の地表温度はわずか130 K、氷点下約140℃なので、表面の水の氷は一年中安定しており、蒸発することがない。

Callisto has a diameter of 4820 kilometers, almost the same as the planet Mercury (Figure 12.3). Yet its mass is only one-third as great, which means its density (the mass divided by the volume) must be only one-third as great as well. This tells us that Callisto has far less of the rocky and metallic materials found in the inner planets and must instead be an icy body through much of its interior. Callisto can show us how the geology of an icy object compares with those made primarily of rock.

カリストの直径は4820キロメートルで、水星とほぼ同じである（図12.3）。それでも質量は水星の3分の1しかないため、密度、すなわち質量を体積で割った値も3分の1しかないことになる。このことから、カリストでは内惑星に見られる岩石や金属の物質がはるかに少なく、代わりに内部の大部分が氷に富むはずだとわかる。カリストを調べれば、氷の天体の地質が、主として岩石からできた天体とどう違うかを知ることができる。

Unlike the worlds we have studied so far, Callisto has not fully differentiated (separated into layers of different density materials). We can tell that it lacks a dense core from the details of its gravitational pull on the Galileo spacecraft. This surprised scientists, who expected that all the big icy moons would be differentiated. It should be easier for an icy body to differentiate than for a rocky one because the melting temperature of ice is so low. Only a little heating will soften the ice and get the process started, allowing the rock and metal to sink to the center while the slushy ice floats to the surface. Yet Callisto seems to have frozen solid before the process of differentiation was complete.

ここまでに調べた世界と違い、カリストは完全には分化していない。密度の異なる物質の層へ完全に分かれていないのである。ガリレオ探査機に及ぼす重力の引き方の詳細から、高密度の核がないとわかる。大きな氷衛星はすべて分化しているはずだと考えていた科学者たちは、この結果に驚いた。氷の融解温度は非常に低いため、岩石の天体よりも、氷の天体の方が分化しやすいはずである。少し熱すれば氷が軟らかくなって過程が始まり、岩石と金属は中心へ沈み、半分溶けた氷は表面へ浮き上がれる。しかしカリストは、分化が完了する前に固く凍ってしまったように見える。

The surface of Callisto is covered with impact craters, like the lunar highlands. The survival of these craters tells us that an icy object can retain impact craters on its surface. Callisto is unique among the planet-sized objects of the solar system in the apparent absence of interior forces to drive geological change. You might say that this moon was stillborn, and it has remained geologically dead for more than 4 billion years (Figure 12.3).

カリストの表面は、月の高地のように衝突クレーターで覆われている。これらのクレーターが残っていることは、氷の天体でも表面に衝突クレーターを保持できると教えてくれる。地質の変化を駆動する内部の力がないように見える点で、カリストは太陽系の惑星ほどの大きさの天体の中でも独特である。この衛星は死んだ状態で生まれ、40億年以上にわたって地質学的に死んだままだった、と言えるかもしれない（図12.3）。

In thinking about ice so far from the Sun, we must take care not to judge its behavior from the much warmer ice we know and love on Earth. At the temperatures of the outer solar system, ice on the surface is nearly as hard as rock, and it behaves similarly. Ice on Callisto does not deform or flow like ice in glaciers on Earth.

太陽からこれほど遠い場所の氷を考えるときには、地球上で私たちが親しんでいる、ずっと温かい氷から、その振る舞いを判断しないよう注意しなければならない。外側の太陽系の温度では、表面の氷は岩石とほぼ同じくらい硬く、振る舞いも似ている。カリストの氷は、地球の氷河の氷のように変形したり流れたりしない。

Ganymede, the largest moon in the solar system, also shows a great deal of cratering (Figure 12.4). Recall from Other Worlds: An Introduction to the Solar System that we can use crater counts on solid worlds to estimate the age of the surface. The more craters, the longer the surface has been exposed to battering from space, and the older it must therefore be. About one-quarter of Ganymede’s surface seems to be as old and heavily cratered as that of Callisto; the rest formed more recently, as we can tell by the sparse covering of impact craters as well as the relative freshness of those craters. If we judge from crater counts, this fresher terrain on Ganymede is somewhat younger than the lunar maria or the martian volcanic plains, perhaps 2 to 3 billion years old.

太陽系最大の衛星ガニメデにも、多数のクレーターが見られる（図12.4）。「ほかの世界――太陽系入門」の章で、固体の世界ではクレーターを数えて表面の年代を推定できると学んだことを思い出そう。クレーターが多いほど、表面は宇宙からの衝突に長くさらされており、それだけ古いはずである。ガニメデ表面の約4分の1は、カリストと同じくらい古く、クレーターも密集しているように見える。残りはもっと最近できた。衝突クレーターがまばらで、個々のクレーターも比較的新鮮なことから、それがわかる。クレーター数から判断すると、このガニメデの比較的新しい地形は、月の海や火星の火山平原よりいくらか若く、おそらく20～30億年前のものである。

The differences between Ganymede and Callisto are more than skin deep. Ganymede is a differentiated world, like the terrestrial planets. Measurements of its gravity field tell us that the rock sank to form a core about the size of our Moon, with a mantle and crust of ice “floating” above it. In addition, the Galileo spacecraft discovered that Ganymede has a magnetic field, the sure signature of a partially molten interior. There is very likely liquid water trapped within the interior. Thus, Ganymede is not a dead world but rather a place of intermittent geological activity powered by an internal heat source. Some surface features could be as young as the surface of Venus (a few hundred million years).

ガニメデとカリストの違いは、表面だけではない。ガニメデは地球型惑星と同じく、分化した世界である。重力場の測定から、岩石が沈んで地球の月ほどの核を作り、その上に氷のマントルと地殻が「浮かんでいる」とわかる。さらに、ガリレオ探査機はガニメデに磁場があることを発見した。これは内部が部分的に溶けている確かな証拠である。内部には液体の水が閉じ込められている可能性が非常に高い。したがってガニメデは死んだ世界ではなく、内部の熱源によって断続的な地質活動が起こる場所である。表面の一部の特徴は、金星の表面と同じくらい新しく、数億年前のものかもしれない。

The younger terrain was formed by tectonic and volcanic forces (Figure 12.4). In some places, the crust apparently cracked, flooding many of the craters with water from the interior. Extensive mountain ranges were formed from compression of the crust, forming long ridges with parallel valleys spaced a few kilometers apart. In some areas, older impact craters were split and pulled apart. There are even indications of large-scale crustal movements that are similar to the plate tectonics of Earth.

新しい地形は、地殻変動と火山活動によって作られた（図12.4）。場所によっては地殻が割れ、内部からの水が多くのクレーターを満たしたように見える。地殻の圧縮から広大な山脈ができ、数キロメートル間隔の平行な谷を伴う、長い尾根が形成された。いくつかの領域では、古い衝突クレーターが割れて引き離された。地球のプレートテクトニクスに似た、大規模な地殻運動の兆候さえある。

Why is Ganymede so different from Callisto? Possibly the small difference in size and internal heating between the two led to this divergence in their evolution. But more likely the gravity of Jupiter is to blame for Ganymede’s continuing geological activity. Ganymede is close enough to Jupiter that tidal forces from the giant planet may have episodically heated its interior and triggered major convulsions on its crust.

なぜガニメデはカリストとこれほど違うのだろうか。両者の大きさと内部の加熱のわずかな違いが、進化の道筋を分けたのかもしれない。しかし、ガニメデの地質活動が続く原因としてもっとありそうなのは、木星の重力である。ガニメデは木星に十分近いため、この巨大惑星からの潮汐力が、時折その内部を加熱し、地殻の大変動を引き起こした可能性がある。

A tidal force results from the unequal gravitational pull on two sides of a body. In a complex kind of modern dance, the large moons of Jupiter are caught in the varying gravity grip of both the giant planet and each other. This leads to gravitational flexing or kneading in their centers, which can heat them—an effect called tidal heating. (A fuller explanation is given in the section on Io.) We will see as we move inward to Europa and Io that the role of jovian tides becomes more important for moons close to the planet.

潮汐力は、天体の両側に働く重力の引き方が等しくないことから生じる。複雑なモダンダンスのように、木星の大きな衛星は、巨大惑星自身と互いの衛星の、変化する重力に捉えられている。そのため、中心部は重力によってたわめられたり、こねられたりし、加熱されることがある。この効果を潮汐加熱という。より詳しい説明はイオの節で行う。内側のエウロパやイオへ進むにつれて、木星の潮汐の役割は、惑星に近い衛星ほど重要になることがわかるだろう。