氷の巨大惑星：天王星と海王星

木星や土星よりも小さく低温で、極端な自転軸の傾きと奇妙にずれた磁場を持つ、揮発性物質に富む外側の巨大惑星。

Definition

氷の巨大惑星とは、水素やヘリウムではなく、水、アンモニア、メタンなどの重い揮発性氷が主成分である惑星を指します。太陽系では、これらは天王星と海王星です。

Scope

このトピックでは、天王星と海王星について扱います。岩石よりも水、アンモニア、メタンの氷が支配的なバルク組成、内部構造、その内部で提案されている超イオン水などのエキゾチックな物質の状態、大気、風、気象、そして大きく傾き、ずれていて、非双極子的な磁場についてです。また、天王星の極端な自転軸の傾きと海王星の異常な内部熱、そして両惑星がボイジャー2号によって一度だけしか探査されていないという事実にも言及します。

Core questions

• 氷の巨大惑星の内部構造と組成はどのようなものですか？
• なぜそれらの磁場は大きく傾き、ずれていて、非双極子的なのですか？
• なぜ海王星は強い内部熱を持っているのに、天王星はほぼ熱平衡状態にあるように見えるのですか？
• 天王星はどのようにして横倒しになったのですか？

Key theories

氷が支配的な内部構造

氷の巨大惑星は、水素・ヘリウム大気の下に、岩石質の核の上に水、アンモニア、メタンからなる深く高温で電気伝導性の流体層で構成されていると考えられており、これはガス巨大惑星とは異なります。

薄いシェルダイナモ

比較的薄い外側の導電層に限定された対流が、天王星と海王星で観測される大きく傾き、ずれていて、多極的な磁場を生成する可能性があります。

Mechanisms

氷の巨大惑星は、大気の下に水やその他の氷からなる高密度の流体を宿しており、この流体は圧力下で電気伝導性になります。この層の限られたシェル内での対流が、それらの特異な磁場形状を生み出していると考えられています。内部には超イオン水が存在する可能性があり、そこでは酸素が固体格子を形成し、水素は自由に流動します。

Clinical relevance

氷の巨大惑星は、まだ十分に探査されていませんが、銀河系で最も一般的な種類の惑星である可能性があり、天王星と海王星は海王星サイズの系外惑星を解釈するための重要な参照点となります。

History

天王星は1781年にウィリアム・ハーシェルによって望遠鏡で発見され、海王星は軌道摂動から予測され1846年に発見されました。両惑星に関する詳細な知識のほとんどは、1986年と1989年に行われたボイジャー2号の単一のフライバイから得られたものであり、これにより、ずれた磁場、かすかな環、主要な衛星が明らかになり、将来の専用ミッションの提案を促しました。

Debates

氷の巨大惑星はどれほど氷でできているのか？

天王星と海王星の内部における氷、岩石、ガスの正確な比率、およびその内部が層状であるか混合されているかについては、限られたボイジャーのデータでは十分に制約されていません。

Key figures

• Heidi Hammel
• Mark Hofstadter
• Tristan Guillot
• Jonathan Fortney

Seminal works

• guillot2005
• hofstadter2019

Frequently asked questions

なぜ天王星は横倒しになっているのですか？

天王星の自転軸はほぼ98度傾いており、実質的に軌道上を転がっています。主要な説明は、その歴史の初期に1回以上の巨大な衝突があったというものです。

天王星と海王星を訪れた宇宙船はありますか？

ボイジャー2号のみで、1986年に天王星、1989年に海王星をフライバイしました。どちらの惑星にもまだ周回機は送られていません。