巨大ガス惑星：木星と土星

外太陽系を支配する2つの水素・ヘリウム巨大惑星。深部の金属水素内部、帯状の大気、そして巨大な磁気圏を持つ。

Definition

ガス惑星とは、主に水素とヘリウムで構成され、固体の表面を持たない惑星である。太陽系では木星と土星がこれに該当する。

Scope

このトピックは、木星と土星について、その全体的な組成と層状の内部構造（金属水素領域を含む）、内部熱源、帯状大気のダイナミクスと長寿命の嵐、強力な固有磁場と磁気圏、そして土星の顕著な環を扱う。ボイジャー、ガリレオ、カッシーニ、ジュノーからのフライバイおよび周回探査機データ、ならびに極限圧力下での水素に関する実験的および理論的研究に基づいている。

Core questions

• 木星と土星は内部的にどのように構造化されており、コンパクトな核を持つのか、それとも希薄な核を持つのか？
• なぜ太陽から受け取る熱よりも多くの熱を放出するのか？
• 帯状ジェットと大赤斑のような巨大な嵐は何によって維持されているのか？
• それらの強力な磁場と磁気圏はどのように発生し、衛星と相互作用するのか？

Key theories

金属水素内部

木星と土星の内部の巨大な圧力下では、水素は電気伝導性の金属流体となり、強力な磁場を生成するダイナモ領域を提供する。

内部熱とヘリウムの雨

巨大惑星は吸収するエネルギーよりも多くのエネルギーを放出しており、これは重力収縮によって、そして土星ではヘリウムの液滴が分離して沈降することによって追加の熱が放出されることによって駆動される。

帯状ジェット大気ダイナミクス

高速自転と対流熱流束により、大気は交互に東向きと西向きのジェットと帯に組織化され、その中で大赤斑のような渦が何世紀にもわたって持続する。

Mechanisms

自己重力によって水素とヘリウムが圧縮され、水素が金属化して導電性を持つようになり、ダイナモと強力な磁場を駆動する。ゆっくりとした収縮とヘリウムの分化が内部熱を供給し、これが自転と相まって表面での帯状対流を促進する。衛星との磁気圏相互作用はオーロラと強烈な放射線帯を生成する。

Clinical relevance

木星と土星は最もよく研究されている巨大惑星であり、巨大系外惑星を解釈するためのテンプレートとして機能する。また、それらの重力は太陽系全体の力学的歴史を形成してきた。

History

木星の帯と大赤斑の望遠鏡による観測は何世紀も前から行われてきたが、現代の理解はパイオニアとボイジャーのフライバイ、木星のガリレオ周回探査機と大気プローブ、土星のカッシーニ周回探査機、そしてジュノーミッションによってもたらされた。ジュノーミッションの精密な重力および磁気測定は、木星の深部内部モデルを再構築した。

Debates

木星の核の性質

ジュノーの重力データは、明確に定義された重い核ではなく、エンベロープに混ざり合った希薄で曖昧な核を示唆しており、形成および内部モデルの改訂を促している。

Key figures

• Andrew Ingersoll
• Tristan Guillot
• Scott Bolton
• William Hubbard

Seminal works

• guillot2005
• ingersoll2004
• bolton2017

Frequently asked questions

大赤斑とは何か？

それは木星の大気中にある巨大で長寿命の反時計回りの嵐であり、地球よりも大きく、望遠鏡による観測で少なくとも数世紀にわたって存続している。

なぜ木星と土星は受け取る熱よりも多くの熱を放出するのか？

それらは自身の重力によってまだゆっくりと収縮しており、土星ではヘリウムが中心に向かって沈降することで余分な熱が放出されるため、両惑星は太陽から吸収するよりも多くのエネルギーを放射している。