惑星

とくに今回は、図表の本の対応するページの図を見ながら読んでください。 なるべくスキャンした画像を (アクセス制限つきで) 置くようにしましたが、 ファイルサイズが大きいことがあるので、通信コストが高いばあいは注意してください。

[2021-10-18] 講義録画のときリンク切れだったところが複数あり、午前10時半ごろになおしました。

図表以外の本への参照は、 このページでは、「著者名『書名』」や「著者名 (発行年)」の形の省略表現をつかいます。 くわしい情報は [本の紹介] のページを見てください。

今回の話題の流れ(次の罫線まで)は、佐々木 貴教 (2017)『「惑星」の話』にそっている。

太陽系の惑星と「系外惑星」

• (われわれの)太陽系 ... (われわれの)太陽と、それをまわる惑星(など)
• 太陽系の外、他の 恒星-惑星系

太陽系を構成するもの

• 太陽
  • 図表 1章 32-33ページ
    • [(*) 32ページ [1 A] 太陽の構造]
    • [(*) 32ページ [1 B] 太陽の諸量]
  • [太陽 (教材ページ)]
• 惑星
  • 図表 1章 16-17ページ「太陽系」
    • 16ページ [1] 太陽系の構造 [(*) 太陽系を構成する天体] [(*) 大きさの比較] [(*) 公転軌道]
    • 17ページ [2] 惑星 [(*) 惑星 (数値の表)] [(*) [A] 太陽系天体の質量と密度]
    • 19ページ [2] 地球型惑星と木星型惑星 [(*) 地球型惑星と木星型惑星] (元素組成、成層構造)
  • 地球型惑星 (水星、金星、地球、火星, 図表 1章 22-23ページ)
    • 水星 [(*) 水星]
    • 金星 [(*) 上の図] [(*) 下の図]
    • 火星 [(*) [A] 表面のようす] [(*) [B] 火星の水] [(*) [C] 火星の大気]
  • 木星型惑星(広い意味) (図表 24-25ページ)
    • 木星型惑星 (狭い意味)、巨大ガス惑星 (木星、土星)
      • 木星 [(*) [1] 木星]
      • 土星 [(*) [2] 土星] [(*) 土星の環]
    • 天王星型惑星、巨大氷惑星 (天王星、海王星)
      • 天王星 [(*) [3] 天王星]
      • 海王星 [(*) [4] 海王星]
  • 惑星のおおまかな層構造と主要物質
    • [*] 増田 (2017) 「惑星としての地球」(『自然地理学事典』) に引用した、阿部豊さんによる図を参照
• [注] 惑星の定義が2006年の国際天文学連合の会議で決められ、冥王星は惑星からはずれた。
  • [外] (よくある質問) 惑星の定義とは? (国立天文台)
• 衛星
  • [外] Wikipedia 日本語版 [[太陽系の衛星の一覧]] 「それぞれの惑星の主な衛星と地球との大きさの比較」の図を拡大してみるのがわかりやすい。 (太陽系の衛星を網羅するものではない。天体名は英語。)
  • 月 図表 20-21ページ [(*) [2 A] 表面のようす] [(*) [2 B] 高地と海] [(*) 月の岩石の化学組成の例]
  • 火星の衛星 [(*) 23ページ [3 D] 火星の衛星]
  • 木星の衛星 [(*) 24ページ [1 A] 木星の衛星] [(*) 25ページ「惑星の観察」] (ガリレオが初期の望遠鏡で4つの衛星を発見した)
  • 土星の衛星 [(*) 24ページ [2 B] 土星の衛星] [(*) [2 B] つづき「タイタンの表面」]
  • 天王星の衛星 [(*) 25ページ [3 A] 天王星の衛星]
  • 海王星の衛星 [(*) 25ページ [4 A] 海王星の衛星]
  • [(*) 25ページ「進む太陽系探査」] (イオ、エウロパは木星の衛星、タイタン、エンケラドゥスは土星の衛星)
• そのほか (図表 1章 26-27ページ)
  • 小惑星
    • 図表 26ページ [(*) [A] 小惑星の軌道] [(*) ケレス、ベスタ、イダ、イトカワ] [(*) 小惑星の分布 (軌道長半径)] [(*) [B] おもな小惑星]
    • (ケレスは「準惑星」とされたが、ひきつづき小惑星でもあるとされることが多い。)
  • 太陽系外縁天体 (冥王星型天体をふくむ。冥王星とエリスは「準惑星」でもあり冥王星型天体でもある。)
    • 図表 27ページ [(*) [2 A] 太陽系外縁天体の軌道]
    • 冥王星 [(*) 冥王星]
  • 彗星
    • 図表 27ページ [(*) [3 A] 彗星の構造] [(*) [3 B] おもな周期彗星]
  • 「オールトの雲」 ... 太陽・地球間距離の数万倍の距離にひろがる、おそらく氷を主とする天体
    • 図表 27ページ [(*) [3 C] 彗星の起源]

太陽系・惑星に関する観測的情報源

• 月・惑星探査によるサンプル (少数だが)
• 探査機の軌道からの電磁波・電磁場・重力などの観測
• 隕石 (地球外起源と考えられる物質) (図表 1章 28-29ページ)
  • 図表 [(*) 28ページ「隕石の衝突」] [(*) 29ページ [C] クレーター] [(*) 29ページ 「南極隕石」]
  • 図表 [(*) 29ページ [A] 隕石の分類] [(*) 29ページ [B] 隕石の構造]
  • 未分化のもの ... (球状粒子(コンドリュール)をふくむのでコンドライト隕石といわれる)
  • ケイ酸塩を主とするもの
  • 鉄を主とするもの

太陽系形成論

• [(*) 図表 1章 18ページ「太陽系の誕生」[A] 形成過程]
• 恒星である太陽の形成・「進化」の理論とつじつまをあわせて、 物理法則にもとづいて構成され、観測的情報によって検証されてきた。
• 1960～70年代に成立した「コア集積モデル」。ソ連のサフロノフたちのもの、 京都大学の林 忠四郎たちのものがある。 ここでは、佐々木(2017)にしたがって、京都モデルの概略を紹介する。
• 宇宙のうちに相対的に密度のたかいところ(「分子雲コア」)ができ、そのなかで恒星の形成がはじまる。
• 「原始惑星系円盤」が形成される。これは、ガスと「ダスト」(dust、塵)からなる。 (円盤形になるのは、質量が集中するとともに回転(の「角運動量」という量)が集中し、 角速度が大きくなるから。)
• ダストの組成は、太陽からの距離にともなう温度のちがいによって、 水の氷をふくまないか、ふくむか、がちがってくる。 (太陽に近いところでは、太陽からの放射エネルギーが多く、温度が高くなるので、 H₂O が揮発して(気体になって)しまい、固体にはふくまれなくなる。)
• 「ダスト」(μm規模)が集積して、「微惑星」(km規模)が形成される。(むずかしい。)
• 微惑星が衝突合体して、「原始惑星」、さらに衝突合体して惑星が形成される。
• 水の氷を多くふくむダストから衝突合体をくりかえしてできた惑星は氷惑星となる。 氷惑星がその重力でまわりの原始惑星系円盤ガスを捕獲して、巨大ガス惑星が形成される。 (木星が形成されたときは原始惑星系円盤ガスがのこっていた。 天王星・海王星が形成されたときはもうのこっていなかった。)

系外惑星の発見

• [(*) 図表 31ページ「系外惑星探査」]
• 数千個の存在が知られている。
• 恒星と区別されて惑星からの光が見えたわけではない。
• 惑星の重力にともなう恒星の(みかけの)位置の移動の観測もまだ成功していない。
• 恒星の光のスペクトルにみられる波長の周期的変化は、視線方向の速度によるドップラー効果と解釈される。
  • 図表 [(*) 19ページ [A]「系外惑星の検出法 -- ドップラーシフト法」]
• 恒星の光のあかるさの変化が、恒星のこちらがわをとおる惑星にさえぎられたと解釈される。
  • 図表 [(*) 19ページ [A]「系外惑星の検出法 -- トランジット法」]
  • 逆に恒星が惑星からの放射をさえぎったと解釈される現象もある。

さまざまな系外惑星

つぎのような量が系外惑星探査をはじめるまえの想像の範囲をこえるような系外惑星がみつかっている。

• 恒星の大きさ・スペクトル型
• 惑星の大きさ
• 恒星と惑星との距離
• 軌道の離心率 (楕円が円からずれているどあい)
• 図表 [(*) 19ページ [4]「系外惑星」]

これまでの太陽系形成論は、 われわれの太陽系にみられる特徴を説明できるように改良されてきた。 そのままでは系外惑星の特徴を説明できない。 系外惑星をも説明できる理論、佐々木 (2017) の表現では「汎惑星形成理論」として、 太陽系形成論を再構築する研究が進められている。

Habitable planet

• このことばは、「生命が存在しうる惑星」という意味でつかわれる。 (かならずしも、人類がそこに移住できるとは考えていない。)
• 生命の特徴 (ひとまず 佐々木 (2017) 115ページによっておく)
  • 自己複製をすること
  • エネルギー代謝をすること
  • 自己と外界を区別する細胞構造をもつこと
• われわれの知っている生命は、液体の水がある環境を必要とする。
• おそらく生命は液体を必要とする。 水は、小さい分子のうちでは、高い温度で液体になる。 また、液体である温度範囲 (沸点と融点の差) が大きい。
  • [(*) 佐々木 (2017) 図 4-2 「各分子の融点と沸点」] [(*) その図の説明文] 出典は Abe (2009) とある。
  • [(*) 水の相図] 固体・液体・気体の存在する 圧力(横軸)・温度(縦軸) 範囲。 臨界点より高い温度では「超臨界流体」(液体と気体の区別がない)。 (出典は 東京大学地球惑星システム講座 (2004), この部分の著者: 阿部 豊)
• 以下「habitable」とは「液体の水が継続的に存在する」ということにする。
• [外] 日本天文学会「天文学事典」 [ハビタブルゾーン]
  • 「関連画像」の「ハビタブルゾーンの概念図」は、佐々木 (2021) も 図21 としてつかっている。
• Habitable zone の高温側境界: 水が水蒸気 (あるいは超臨界流体) としてしか存在できない。 (「暴走温室状態」← この授業ではしっかり説明していないが、 用語補足(ブログ記事) [暴走温室効果])
• Habitable zone の低温側境界: 水が氷としてしか存在できない。 あるいは、二酸化炭素が気体で存在できないので、(低温の条件では) 有効な温室効果気体がない。
• [(*) 海の存在する条件] 液体の水が存在しうる条件。横軸は地表で得られる単位面積・単位時間あたりエネルギー、 縦軸は二酸化炭素質量。 (出典は 東京大学地球惑星システム講座 (2004), この部分の著者: 阿部 豊)
• 水が存在するためには、温度条件がhabitable zoneにあることにくわえて、 惑星を構成する物質の条件がある。
• 地球には適度な量 (現在の質量で惑星の1万分の2)の水がある。 これは偶然なのか、惑星系形成のなかである条件をみたされれば必然的なのか? (専門家の研究途上の課題。)
• [(*) 図表 31ページ 「地球に似た惑星?」 (観測された数量にもとづく想像図)]

惑星大気について

[*] 増田 (2017) 「惑星としての地球」(『自然地理学事典』) を参照。

• 木星型惑星は、原始太陽系円盤のガスを捕獲して、水素・ヘリウムを主成分とする大気をもつことができた。
• 地球型惑星は、そのような原始大気をもともともたなかったか、あるいは、ごく初期に失った。 地球型惑星の大気は、固体の微惑星が集積してできた固体惑星から、揮発(脱ガス)してきたものである。 地球の海も、地球形成初期にそのようにして脱ガスしてきた水蒸気大気が凝結したものと考えられている。
• 金星と火星の大気は、いずれも二酸化炭素が主成分である。 ただし大気の質量は大きくちがう。
  • (火星の表層の二酸化炭素と水の大部分は、固体となり、極冠あるいは凍土として存在するだろう。)
  • (金星の表層には水は存在しない。 かつては大気中に水蒸気が存在したかもしれないが、太陽放射の紫外線で解離がおこり、 水素は宇宙空間に逃げ、酸素は岩石に化合したと考えられる。)
• 地球の大気の成分である酸素分子は、 あきらかに光合成生物のはたらきによるもので、 二酸化炭素から光合成によってできた有機物が地中に埋没した(石炭などになった)ぶんに みあった量の酸素が大気中にあると考えられている。 地球表層の炭素は、有機物よりも大きな量が、炭酸カルシウムなどの炭酸塩を主成分とする 石灰岩などの岩石の形で存在する。 地球には海が形成されたので、炭酸カルシウムが沈殿することができた。 (このページの話では省略したが、水にカルシウムイオンが供給されるためには、 海だけでなく、大気と岩石の接する陸が存在することも必要だと考えられている。)

小課題

液体の水がある条件が、 太陽・惑星間の平均距離のところにとどく単位面積・単位時間あたりの太陽放射エネルギーで 決まっていると仮定しよう。 実際には太陽の「進化」による放射光度の変遷があるが、 仮に、現在の太陽光度に対する太陽・地球間の距離を、液体の水がある条件の代表としよう。

惑星系の主恒星の放射光度 (単位時間あたりに出す放射エネルギー) が、太陽の 10分の1、3分の1、3倍、10倍だったとき、 液体の水のある条件は、主恒星から、それぞれ地球の軌道長半径のなん倍の距離にあたるか。 (できれば、それぞれの距離が、太陽系でいえば太陽からどの惑星までの距離に近いかも 考えてみよう。該当がないこともあるかもしれない。)