木星の4つの月の海の潮は共鳴している

木星の4つの大きな月が、地下の海を維持するために共謀している可能性がある。木星の地殻変動による熱によるものと考えられてきたが、月の海の存在は、月と月の間の重力相互作用によって発生する巨大な潮汐に起因している可能性がある。このような潮汐を測定することで、月の深さを知ることができ、地球外生命体の発見につながる可能性がある。

木星のガリラヤ衛星「ユーロパ」「カリスト」「ガニメデ」「イオ」の観測では、地下に液体層があることが示唆されていたが、そのうちの3つの衛星は、地下に液体層があると考えられている。そのうち3つの衛星は水を豊富に含んだマントルを持っていると考えられているが、イオはマグマの海を持っているために火山活動が活発になっている可能性がある。月が惑星の周りを移動している間、月の内部には重力の影響と放射性元素のゆっくりとした崩壊による熱があり、液体が固まらないようになっている。

これまで月の間に相互引力が働いていることは余り注目されていなかった。宇宙のすべての天体は、質量に比例して引力を受けており、その引力は距離が離れるにつれて減衰する。例えば、木星は地球を引っ張っているが、地球との距離が遠いので、その影響はほとんどない。ガリラヤ衛星はその大きさから、その大きさとは無関係だと考えられてきたが、そのようなことはない。

驚いたことに、彼は自然衛星の軌道がちょうどよく並んでいるときに、その比較的小さな引力が海の挙動によって増幅されることを発見した。共鳴と呼ばれる特殊な条件の下では、潮汐の影響は非常に大きくなり、より巨大な木星の潮汐の影響を超えることさえある。

当時アリゾナ大学の大学院生だったハミッシュ・ヘイは、太陽系外惑星の潮汐に関するサイドプロジェクトに取り組んおり、海の層が方程式を変えることに疑問を感じ始めた。現在はNASAのジェット推進研究所の研究員であるヘイは、海が豊富なガリラヤ衛星の潮汐を調べた。

ヘイが主著者の研究によると、外側の3つのガリラヤ衛星の間には地下水の海が存在し、内側の月イオには内部のマグマの海が存在しているという有力な証拠がみつかったという。木星からの潮汐力はこれらの天体を周期的に変形させ、加熱と変形を引き起こし、測定されれば、その内部構造を探ることができる。また、木星の潮汐に加えて、各月は他の月の潮汐も上昇させている。

研究チームは、ガリラヤ衛星で初めて月と月の間の潮汐を調査し、月と月の間の潮汐がガリラヤ月の地下海洋で高周波共鳴潮汐波を励起して大きな加熱を引き起こすことを明らかにした。この加熱は地殻と海洋の両方で発生し、海洋が十分に不可粘性であれば、他の潮汐源や放射性崩壊を上回る可能性がある。その結果生じる潮汐変動は、地下海洋の厚さを推定するために利用することができる。「その結果、ジョビアン系の熱軌道の進化と居住性に関する我々の理解が根本的に変わるかもしれない」と論文は指摘している。

木星のガリラヤ衛星「イオ」「ユーロパ」「ガニメデ」「カリスト」（左から）。Source: NASA

暗闇の中の海

1979年にNASAの探査機ボイジャー1号が木星に到着したとき、イオから立ち上る火山の噴煙がマグマの海が埋まっていることを示唆しているのを発見した。ボイジャー1号や他のミッションからの更なる観測では、エウロパの表面に明確な亀裂が見られ、氷性の月の地殻が以前の認識よりも活発で移動していることが明らかになった。近年、このような海は他の多くの世界でも発見されており、小さくて冷たい冥王星にも海があるかもしれない。海の世界は広く広がっているようで、多くの科学者たちは、ガニメデやカリストには、独自の深い水のような内部層があるのではないかと疑っている。

木星の月の海は、私たちの惑星の海とは異なる。地球の海の深さは平均約3.7kmで、マリアナ海溝の最深部では11kmにまで落ち込んでいるが、ガリラヤ衛星の海は数百kmにも達すると考えられている。このように、ガリラヤ衛星の海は数百kmにも及ぶと考えられている。

波の速度はその海の深さによって制御されている。直感的ではないように思われるが、浅い海は、より広い地域から水を押し出して、海洋深層世界のより小さな地域によって作られた波と同じくらいの高さの波を形成する。

共鳴は、ブランコに乗っている子供のような振る舞いをする。ブランコの円弧のちょうど良いタイミングで押すと、実際には、月の軌道上の適切なポイントで、別のタイミングで押すよりもはるかに大きなブーストを与えることができる。そのガリレオの隣人のプルによってかき乱された共鳴によって駆り立てられ、各月の液体層は、それがそうでなければそうでない場合よりも高く、速く周りにスロッシングしている。結果として生じる潮汐は、その月の地下を突き進み、決して大陸に衝突することなく、代わりに、自然衛星の周囲の半分を横切る永久波前線を継続している。

木星によって提起された共鳴は、水深が数百メートルしかない海で最も強力になるだろうが、ガリラヤの海では非現実的な仮定である。しかし、月は軌道上で渦を巻いているときに、より深い海で共振を引き起こすことができ、その結果として生じる波は、惑星自体によって引き起こされる波よりも高くなる可能性が高い。

しかし、ガラリア衛星の海の潮の強さを最終的に測定するのは簡単なはずだ。波の上では、月の地殻は、嵐に翻弄された海の上の船の甲板のように、数メートルずつ上昇したり下降したりする。この動きを利用して、欧州宇宙機関の木星氷月探査機（JUICE）のような探査機が、共鳴潮汐によって引き起こされる波の高さを測定することができる。

2029年後半に開始される予定のジョビア星系での複数年に渡るミッションの終わりに向けて、JUICEはガニメデの軌道を周回し、月に液体の海があるかどうかを判断することが期待されている。ミッションの科学者たちは、宇宙船の2つの機器を使って、すでにガニメデの潮汐振幅を測定することを計画している。

どちらかの代表団が適切にガリレオ月の地殻の上昇と下降を測定することを管理すれば、それらのデータはその月の海洋の深さを決定するのに役立つかもしれない。共鳴が海の厚さに基づいて変化するので、波の周波数は大まかな推定値を提供することができる。