「土星の輪」が氷でできているって本当？土星ってどんな星？科学館職員がわかりやすく解説

ライター／たかはし　ふみか

まだまだ勉強中の国立大学工学部化学系出身の科学館職員。環境に役立つ研究がしたいと卒論テーマに再生可能エネルギーを選ぶ。わからない用語は調べないと気が済まず、今でも高校時代の化学辞書を愛用している。

土星のプロフィール

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まずは土星の情報を確認いたしましょう。

直径　120,536㎞（地球は12,700㎞）

質量　5.688 ×10²⁶ ㎏（地球は5.972×10²⁴ kg）

密度　0.70 g/cm³（地球は5.51g/cm³）

太陽からの距離　14億2940万km（地球は1億4960万km）

自転周期

　赤道面　10時間13分

　　　極　10時間32分

公転周期　29.46年

土星（Saturn）は太陽から数えて6番目の位置にある惑星です。太陽系の中では木星の次に大きく、その大きさは地球の約9倍もあります。その一方、土星は巨大ガス惑星のため密度は地球の1/8程度しかありません。

ガス惑星である土星ですが、土星の中心部は鉄やニッケルの岩石です。そしてその周りを金属水素が覆っています。金属水素とは、圧縮されて金属のような性質を持った水素のことです。では大気はどのようなものでしょうか。土星の大気のほとんどが水素です。 95%以上の水素で、それにヘリウムを加えると99.5%にもなります。

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土星の輪

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さて、土星の輪は何でできているのでしょう。実そのほとんどが氷のかけらなのです。

土星の輪の直径は数十万㎞にも広がっています。その一方、厚さは数百m程度です。輪っかと言うとドーナツのようにつながっているイメージですね。しかし、土星の輪は先ほど説明したように氷のかけらできています。これらの粒が集まり、輪っかのように見えているのです。

土星の輪の物語

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土星の輪はひとつだけではありません。写真からわかるように、層をなしていているのです。この層は大きく8つに分類することができます。

土星の輪を最初に観測したのはガリレオ・ガリレイ（1564~1642）です。望遠鏡で土星を見たガリレオは土星の輪のことを「耳」と表現しました。

そしてガリレオと交友関係のあったオランダの学者、クリスティアーン・ホイヘンス（1629~1695）が1655年に土星の周りに輪があることを主張しました。ちなみにこのホイヘンス、土星の衛星を見つけ振り子時計を初めて作った人物でもあります。

そして1675年、フランスの天文学者ジョヴァンニ・ドメニコ・カッシーニ（1625~1712）土星の輪が複数の環が層となっていることを発見しました。この土星の輪と輪の間にある隙間はカッシーニの隙間と名付けられています。

土星の輪が消える?輪の消失現象

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土星と言えば輪と説明してきましたが、実はこの輪消えることがあります。と言っても本当に消えてなくなるわけではありません。見えなくなってしまうのです。

地球は自転軸が傾いているため、四季が生まれていますね。そして土星も自転軸が土星の公転軌道面からみて約26.7度傾いています。そして土星の環はも公転軌道面から約26.7度の傾きがあるのです。

土星の公転周期は約30年でしたね。この30年間に輪は

真横、北に最大、真横、南に最大、真横

という風に傾きが変化します。土星の輪はとても薄いため、真横の位置になる日の前後には見ることができません。そのため、地球からは15年周期で土星の輪が見えなくなっているのです。これを「輪の消失現象」また「輪の消失」と言います。

最近輪の消失があったのは2009年8月のことです。

土星と天文学者

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ここで、先ほどからちょくちょく登場している土星と深い関係の天文学者をご紹介します。

ガリレオ・ガリレイ（1584年～1642年）

ユストゥス・サステルマンス - scan of 2D image as in notes below, パブリック・ドメイン, リンクによる

「それでも地球は回っている」の地動説でおなじみのガリレオ・ガリレイ。

音楽家の家庭の長男として生まれたガリレオは、最初医学部に進学しました。しかし興味の対象は数学に移り、数学の教授となります。そして研究を進めるうちに天文学に興味を持つようになったのです。自作の小型望遠鏡でガリレオは木星の衛星を発見し、の表面のクレーターの様子を観察しました。

ガリレオはいろいろな分野に興味を持ち、それでそれぞれの分野で実績を残している、偉大な科学者なのですね。

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ジョヴァンニ・ドメニコ・カッシーニ（1625年~1712年）

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パリ天文台の初代台長を務めたジョヴァンニ・ドメニコ・カッシーニ。太陽の研究や、惑星の自転速度の計算をしています。

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カッシーニは土星の衛星、イアペトゥスとレア、ディオネ、テティスを発見しました。そしてカッシーニは土星の輪がふたつに分かれているのを発見したのです。この隙間をカッシーニの隙間と名付けられていました。その後、この隙間にも20本以上の輪があることが観測されています。

クリスティアーン・ホイヘンス（1629~1695）

カスパル・ネッチェル - http://ressources2.techno.free.fr/informatique/sites/inventions/inventions.html, パブリック・ドメイン, リンクによる

ホイヘンスは自作の望遠鏡で最初に発見された土星衛星、タイタンの発見者です。タイタンやそのほか土星の惑星については後程詳しく解説します。

オランダの科学者であるホイヘンスは物理学、数学、天文学と様々な分野で活躍しました。そして先程も説明したように振り子時計を発明し、光の波動説などを提案したのです。

探査機カッシーニ

By NASA/JPL - This image or video was catalogued by Jet Propulsion Laboratory of the United States National Aeronautics and Space Administration (NASA) under Photo ID: PIA03883., Public Domain, Link

1997年にNASA（アメリカ航空宇宙局）によって打ち上げられた探査機カッシーニ。カッシーニは金星や木星、土星の観測を行いました。そして2017年には土星と環の間を、人類の探査機として初めて通過したのです。

ちなみにこのカッシーニは惑星探査機のホイヘンス・プローグを積んでいました。これらの名前の由来はもちろん、先ほど登場した天文学者たちです。

土星と衛星

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土星と言えば環以外にも注目したいものがあります。それは衛星です。衛星と言えば惑星の周りを公転している星のことで、地球にとって月のことですね。

地球の衛星は月のひとつだけです。一方、土星の衛星は82個（2019年現在）もあり、そのうち53個が名前を付けられています。ちなみに、太陽系で2番目に衛星が多いのは木星で、木星の衛星は79個です。その次に衛星が多いのは天王星の27個で、いかに土星と木星の衛星が多いのかわかりますね。

ここで、有名な土星の衛星を紹介いたします。

タイタン

NASA/JPL/Space Science Institute - この画像もしくは映像物は、アメリカ航空宇宙局 (NASA) のジェット推進研究所により、ID: PIA11603 で公開されています。, パブリック・ドメイン, リンクによる

土星の最も大きな衛星、タイタンが発見されたのは1655年3月25日、発見したのは先ほど登場したホイヘンスです。タイタンがどれくらい大きいのかと言うと半径2,574㎞、質量は1.35×10²³㎏もあります。月が半径1,738㎞、質量7.35×10²²㎏なのでいかに大きいかわかりますね。上の写真は探査機カッシーニが撮影したものになります。

タイタンは土星の第6衛星です。タイタンは太陽系内の衛星で唯一、豊富な大気を持っています。また、地球以外で唯一表面に安定して液体が存在している星です。