エンケラドゥス [ 14] エンケラドス[ 15] またはエンセラダス [ 16] 土星 の第2衛星 。直径498 km、土星からの距離は約24万km、土星の周りを33時間ほどで公転 している[ 17] 生命の可能性 を持つ衛星として知られる。
1789年 に天文学者 ウィリアム・ハーシェル によって発見された[ 18] 1847年 にギリシア神話 のギガース 族の1人エンケラドス にちなみ、息子のジョン・ハーシェル が命名・発表した。
エンケラドゥスの間欠泉 。 エンケラドゥス(左下)と月(左上) 直径は平均500キロメートルほどだが、熱源 を持ち、土星の衛星としては6番目に大きい[ 19] 反射率 が極めて高く、太陽系の中で最も白い星とされる[ 20] 氷 で覆われている。
2005年 3月 ごろ、エンケラドゥスに接近したNASA /ESA の無人土星探査機カッシーニ が、エンケラドゥスに極めて微量の大気 を発見 した。大気の成分は水蒸気 と見られている。火山 か間欠泉 などの大気の安定した供給源があるものとみられる。しかし、エンケラドゥスは重力 が小さく、大気はすぐに宇宙 に逃げてしまう。同じく木星 の衛星のイオ や、海王星 の衛星トリトン には火山噴出物による微量な大気が観測 されている。
エンケラドゥスは1789年 8月28日にウィリアム・ハーシェル によって発見された。観測には彼の 1.2 メートル口径の望遠鏡が用いられており、これは当時としては世界最大の望遠鏡であった[ 21] ボイジャー による接近観測が行われるまでは、点としての画像しか捉えられておらず、その詳細な性質はよく分かっていなかった。質量、密度、アルベドは推測値に過ぎず、軌道特性が判明しているのみであった。
エンケラドゥスの名称を提案したのは、ウィリアム・ハーシェルの息子で天文学者のジョン・ハーシェル である。エンケラドゥスを含む既に発見されていた7つの衛星に対して、1847年に発表した『Results of Astronomical Observations made at the Cape of Good Hope』の中で命名した[ 22]
エンケラドゥスの地形の名称は、国際天文学連合 によって千夜一夜物語 のリチャード・フランシス・バートン による翻訳版に登場する人物と地名から命名されている[ 23] 衝突クレーター は登場人物から命名されており、その他の地形は登場する場所や地名から命名されている。
土星の北極側から見たエンケラドゥスの軌道 (赤線) エンケラドゥスは、ディオネ 、テティス 、ミマス と並ぶ、土星の主要な衛星であり、ミマスとテティスの間を公転している。
エンケラドゥスは現在ディオネと 2:1 の平均運動共鳴 を起こしており、ディオネが土星の周りを一周周る間にエンケラドゥスは二周公転する。この共鳴によってエンケラドゥスの軌道離心率 は 0.0047 に保たれている。このように別の天体からの影響によって決まる離心率は forced eccentricity と呼ばれている。離心率がゼロではないため、エンケラドゥスは公転に伴って潮汐力 による変形を起こす。変形によって天体内部でのエネルギー散逸が発生し、これが現在のエンケラドゥスの地質学的活動を引き起こす熱源になっている[ 3] E環 の最も濃い部分を公転しており、この環の物質の主要な供給源になっている[ 24]
土星の他の大きな衛星と同様に、エンケラドゥスは公転周期と自転周期が同期 しているため、常に同じ面を土星に向けながら公転している。地球 の月 とは異なり、エンケラドゥスは自転軸に関して 1.5° よりも大きな秤動 は起こさない。しかしエンケラドゥスの形状の解析からは、過去には 1:4 の強制された二次の自転と公転の秤動を起こしていたことが示唆されている[ 3] [ 25] [ 26]
土星のE環の中を公転するエンケラドゥス エンケラドゥスからの噴出物の組成は彗星の組成と類似しており[ 27] フェーベ環 を除くと土星の環 の中で最も幅広で最も外側にある環である。ミマス の軌道とタイタン の軌道の間に非常に広く分布しているが非常に淡く、また微小な氷かダスト物質から構成されている[ 28]
数学的なモデルは、E環は 10,000〜1,000,000年の時間スケールで不安定であることを示している。そのため、E環を構成している粒子は定期的に供給されている必要がある[ 29] [ 30] [ 31] [ 32] [ 33] 2005年 のカッシーニによる最初の2回のフライバイ観測によって確認された[ 34] [ 35]
エンケラドゥス表面の初めての詳細な観測は、ボイジャー2号 によって1981年8月に行われた。この観測では少なくとも5種類の地形が存在することが明らかになった。ある領域はクレーター が多く、別の領域は滑らかで若い表面を持ち、また滑らかな領域に沿って存在する隆起した地形も発見された[ 36] [ 37] 氷火山 やその他の表面を更新する活発なプロセスによって、比較的最近に更新されたはずである[ 1]
上記のプロセスによってエンケラドゥスの表面には新鮮な氷が供給されているため、太陽系内の天体の中で最も反射率 の高い表面を持つ。可視光での幾何アルベド は 1.38[ 8] ボンドアルベド は 0.81 ± 0.04[ 9] [ 10]
2005年になってカッシーニによる探査が行われ、ボイジャー2号による観測よりも遥かに詳細な表面の特徴が明らかになった。ボイジャー2号によって観測された滑らかな平原は、無数の小さな尾根や急斜面で満たされた比較的クレーターの少ない領域であることが判明した。クレーターが多い古い領域では多数の断層状の構造が発見され、クレーターが形成された後に広域的な変形にさらされた可能性があることが示唆された[ 38]
Tiger Stripes と呼ばれるひび割れ。カッシーニ探査機の観測により、エンケラドゥスの南極付近の表面で活発な地質活動をしている証拠と思われるひび割れが見つかり、"Tiger Stripes "と名づけられた。エンケラドゥスの表面は、このひび割れから噴出する新しい氷によって絶えず塗り替えられていくと考えられている。さらにひび割れから噴出しているものが氷の粒子および水蒸気であり、地下に存在する液体の水が貯水池のような役割を果たしている可能性があることを、NASA の研究者が発表した[ 39] 放射性物質 の崩壊 や、潮汐力 によるエネルギーなどが考えられている。
カッシーニ探査機の観測結果を分析した米国ジェット推進研究所 の発表によると、エンケラドゥスから噴出した水蒸気や氷の粒子がプラズマ になり、土星の磁場に取り込まれることによって土星磁場の回転速度がわずかに遅くなることが判明した。つまり、電波観測によりこれまで求められていた土星の自転周期は、エンケラドゥスの影響により実際の土星の自転 より長くなってしまうことを意味する[ 40]
エンケラドゥスの内部の想像図。茶色が岩石質の核、白が氷が豊富なマントルである。また南極地下に存在することが提唱されているダイアピル 構造も黄色と赤で示されている。 カッシーニによる探査以前はエンケラドゥスの内部構造についてはほとんど分かっていなかった。しかしカッシーニのフライバイ観測によって内部構造についての情報が得られている。
ボイジャー2号 による質量の推定からは、エンケラドゥスはほとんどが水氷で出来た天体であると推測された[ 36] 3 と推定された[ 3]
Castillo らによる研究では、イアペトゥス とその他の土星の氷衛星は、土星の周囲にあった周惑星円盤 の中で比較的急速に形成され、そのため短寿命の放射性核種 を豊富に含んでいたことが示唆された[ 41] [ 42] アルミニウム26 や鉄60 といったこれらの放射性核種は半減期が短いため急速に崩壊し、衛星内部で比較的急速に熱源になったと考えられる。エンケラドゥスの岩石の割合は比較的高いものの天体サイズが小さいため、冷却は急速に進む。そのため短寿命核種が存在しなければ、たとえ長寿命の放射性核種が熱源として存在しても内部が急速に固化するのを防ぐことは出来ないとされている[ 43] [ 42] [ 44] [ 45]
衛星の質量と地球化学モデルからの推定に加え、内部が分化していた場合にエンケラドゥスの形状にどのような影響が及ぼされるかという観点からの研究も行われている。エンケラドゥスが静水圧平衡状態であると仮定し、エンケラドゥスの輪郭の測定から形状を決定したものと比較すると、エンケラドゥスの内部は未分化であると考えるとよく一致するという結果が得られている[ 3] [ 44] [ 45]
エンケラドゥスの地下に液体の水が存在するという兆候は、2005年以降多数報告されている。最初に報告されたのは南極からの水蒸気を含んだ噴出物の観測であり[ 3] [ 46] [ 47] [ 3] [ 34] [ 48] ベンゼン のような有機物だけではなく[ 49] 有機化合物 の痕跡をダスト粒子から検出している[ 48] [ 50]
カッシーニが2010年12月に行ったエンケラドゥスのフライバイの際には重力場の測定が行われ、凍った表面の下には液体の水が存在する可能性があることが判明した。しかしこの時の観測では、内部海は南極領域に局在していると考えられた[ 51] [ 52] [ 53] [ 51] [ 54]
さらに2015年9月16日には、7年以上に渡るカッシーニによる観測の結果、エンケラドゥス表面の氷の下に広がる海が星全体を覆っているという研究結果がNASAによって発表された[ 55] 秤動 ）が観測され、氷の地殻全体が内部の岩石コアとは分離して存在していることが示唆された。従って、氷の下に液体の海が星全体に広がっていることでしか説明できないとしている[ 55] [ 56] [ 57]
エンケラドゥスの地下の海の想像図。 エンケラドゥスには、生命 に必要とされる有機物 と熱源、そして液体 の水 の3つの要素が全て揃っていることから、地球外生命 の有力な候補地として考えられている[ 58]
土星探査機カッシーニによる2008年 3月の南極域のホットスポットの観測では、その温度が摂氏 マイナス 93度であることと有機物 が存在することが確認された[ 59] 2009年 6月の観測では、エンケラドゥスの水蒸気から塩化ナトリウム や炭酸塩 を検出している[ 60]
その後も観測と分析は続けられ、2014年 4月にはエンケラドゥスの液体の水の大規模な地下海の証拠が発見されたことも報告された[ 61] [ 62] [ 63] リン が含まれていることを示唆する論文が発表されている[ 64]
2015年 3月、東京大学 や海洋研究開発機構 などの国際研究チームは、カッシーニ探査機が検出した微粒子の中に、岩石と熱水が反応してできる鉱物の微粒子「ナノシリカ」が含まれていることが確認されたと発表した。模擬実験を行ったところ、ナノシリカができるためには摂氏90度以上の熱水環境が必要と判明し、現在も活動が続いている可能性が高いことが分かった。地球の深海底の熱水活動は生命誕生の場の1つと言われ、研究チームは「地球外生命の発見に向けた前進」と捉えている[ 65]
2017年4月13日に、NASAはエンケラドゥス内部海の海底における熱水活動と思われる現象を発見したと公表した。この研究は、2015年にカッシーニがエンケラドゥスの南極付近をフライバイした時の分析が元になっている。このときカッシーニは表面から 48.3 km の高度を通過し、同時に表面から噴出する物質の中を通過した。探査機に搭載されていた質量分析器は噴出物中の水素分子を検出した。この水素分子は、内部海の海底における熱水活動の結果として生成されたものである可能性が高いと考えられた[ 66] [ 67]
エンケラドゥスの内部海に豊富に水素が存在する場合、仮に微生物が存在したとすると、海中に溶けている水素と二酸化炭素を合わせることで微生物がエネルギーを得ることが出来る。この化学反応は副産物としてメタン を生成するためメタン生成経路 として知られており、地球では生命誕生後の初期段階から、この過程でエネルギーを得ているメタン菌 が存在していたことが分かっている[ 68]
2023年6月、ベルリン自由大学 を中心とする研究チームは、カッシーニ が観測した微粒子の成分から、地球の海水の数千 - 数万倍にもなる高濃度のリン酸 （DNA の構成要素）が含まれることを発見した[ 69] [ 70] 東京工業大学 の関根康人 らはエンケラドゥスの海底を模した環境で実験を行い、リン酸の濃縮はアルカリ性 で炭酸濃度の高い環境で起こることがわかった。かつての地球にも、同じような環境があったと推定されている[ 70] [ 71]
ミマスは球形をした土星の衛星の中では最も内側を公転しており、エンケラドゥスのすぐ内側に存在する。しかしミマスはエンケラドゥスよりも強い潮汐力を受けており潮汐加熱が大きいはずであるにも関わらず、活発であるエンケラドゥスとは対照的に地質学的には死んだ天体である。この矛盾はミマスパラドックス (あるいはミマス・エンケラドゥスパラドックス) と呼ばれている[ 72]
このパラドックスは、両天体の主要な組成である氷の温度依存性のある特性によって部分的に説明できる可能性がある。単位質量あたりの潮汐加熱は
q
t
i
d
=
63
ρ
n
5
r
4
e
2
38
μ
Q
{\displaystyle q_{tid}={\frac {63\rho n^{5}r^{4}e^{2}}{38\mu Q}}}
ρ
{\displaystyle \rho }
n
{\displaystyle n}
r
{\displaystyle r}
e
{\displaystyle e}
μ
{\displaystyle \mu }
剛性率 、
Q
{\displaystyle Q}
q
t
i
d
{\displaystyle q_{tid}}
μ
{\displaystyle \mu }
Q
{\displaystyle Q}
μ
{\displaystyle \mu }
Q
{\displaystyle Q}
μ
{\displaystyle \mu }
Q
{\displaystyle Q}
μ
{\displaystyle \mu }
Q
{\displaystyle Q}
[ 73] [ 74]
エンケラドゥスの密度はミマスよりも大きい (1.61 と 1.15 g/cm3 ) ことから、エンケラドゥスはミマスよりも岩石を多く含んでおり、従って放射性物質の崩壊による加熱がミマスよりも大きかった可能性があり、この要素もミマスパラドックスを解決する上で重要であると考えられている[ 75]
ミマスやエンケラドゥス程度のサイズの氷衛星が潮汐加熱と対流の「励起状態」に至るためには、初期の内部熱を失いすぎる前に軌道共鳴を起こす必要があることが示唆されている。ミマスは小さいためエンケラドゥスよりも速く冷える。そのため、軌道共鳴によって駆動される対流を引き起こすための機会はエンケラドゥスと比べて短かった可能性があり、これが両者の内部構造の違いを生み出した可能性がある[ 76]
エンケラドゥスは現在1秒あたり 200 kg の質量を失っている。この質量放出が45億年にわたって続いたと考えると、エンケラドゥスは初期の質量からおよそ30%を失った計算になる。エンケラドゥスがミマスと同じ密度であったとすると、この初期の質量に近い値となる[ 76] [ 76]
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