私たちが目指す小天体~小惑星:第一編~

  • Jan. 13 2016

名称がいっぱい!しかも昔と違う?

ここで取り上げるのは、小惑星、彗星、 ” EKBO(Edgeworth Kuiper Belt Objects)天体 ”、” 太陽系外縁天体(trans-Neptunian objects) ”、” 彗星-小惑星遷移天体(CAT、Comet-Asteroid Transition Objects) ” とします。思惑としては、これらをご紹介するだけで太陽系の様相の大部分(数の上では?)が見えるのではないかといったところです。

そもそもこれらは、MEF メイリングリスト上において盛んに取り上げられていたものです。他に火星や土星の衛星、または準(矮)惑星(2006年08月からの呼称)へのアプローチなども提案されておりましたが、やはり主役は上記の天体たちでした。筆者の場合、個人的興味から CAT 天体(彗星-小惑星遷移天体)への探査を「嘆願」しました。メンバーの中にもたくさんこれを推した方々が居ましたね。個人的興味の理由は、、、控えます。


国際天文学連合総会の投票の時の様子。「VOTE」と書かれた賛成票を掲げる大多数の方々。画像は国際天文学連合より。リンクは「AstroArts 天文ニュース」です。


いきなりですが、2006年08月にプラハにて開催された ” 国際天文学連合(IAU)総会 ” で、「惑星の定義」について議論されたことを憶えていますか?一番大きな話題としては、「冥王星」が、いわゆる「九つの古典惑星」という枠組みから外され、セレスとともに「準(矮)惑星(Dwarf Planet)」というカテゴリに分類されたということでしょうか(その後も幾つかの小惑星が準(矮)惑星に変更されている)。” 国立天文台トピックス[No.234: 惑星定義に関する経緯と解説] ” でも解説がありました。

以下は、MEFメンバーである国立天文台・渡部潤一さんの記事です。
” 拡がりゆく太陽系-冥王星はなぜ惑星ではなくなったのか? ” - 青山学院大学/われわれの宇宙を探る:渡部潤一

小惑星や、EKBO(Edgeworth Kuiper Belt Objects)天体、彗星、太陽系外縁天体(trans-Neptunian objects)、彗星-小惑星遷移天体(CAT、Comet-Asteroid Transition Objects)は、太陽系小天体(SSSB(Small Solar System Bodies))というカテゴリに分類されることになり、惑星、準(矮)惑星、太陽系小天体という包括的な分類が議決されました。
これに倣うと、小天体探査フォーラム - Minorbody Exploration Forum の ” Minorbody ” の部分を変更して、”Small Solar System Bodies Exploration Forum ” となりますか。

太陽を周回する天体
├太陽系小天体
│├小惑星(Asteroid)
││├彗星-小惑星遷移天体
││├「族(Family)
││└「木星以遠の族」
││├「群」
││├共鳴小惑星
││├地球近傍小惑星
││└├アテン群
││・├アポロ群
││・└アモール群
│├彗星(Comet)
│├エッジワース・カイパーベルト天体
│└惑星間塵
├惑星
│├地球型
│├木製型
│└天王星型
└準(矮)惑星
細かな分類は省いています。太陽系外縁天体については「EKBO」だけを表記しました。


小惑星:第一編

1801年、イタリアのパレルモ天文台で発見されたセレス(ケレス)。これはメインベルト小惑星としては最大の直径952kmという大きさを持ち、僅かながらも大気の存在も認められています。小惑星を語るときは、ほとんどの場合、この天体から始めることが多かったと思いますが、2006年に「準(矮)惑星(Dwarf Planet)」というマイナーカテゴリに分類されてしまい、十数年コツコツと書き溜めていたウェブ紙も古紙と、、、。

ウィリアム・ハーシェル(William Herschel)により、「asteroid(恒星のようなもの)」と呼ばれるようになった小惑星たち。更には「彗星」や他の様々な太陽系に存在する小天体などに対して、学術的な探求心以外にもどうしてこんなにも人々の関心を集めるのでしょう?

1.メイン・ベルト小惑星

水星から海王星までの八つの惑星や、氷天体である彗星を除き、主に火星と木星の間の「Asteroid Main-Belt」と呼ばれるところに多く分布している小さな岩石天体です。それより外側や内側の軌道を持つものもたくさんありますが、「Asteroid Main-Belt」での存在数は圧倒的です。

小惑星全般として、2009年09月の時点で、小惑星番号が確定しているものは、251,651個。「仮符号」のみの天体を加えると、535,789個にもなります。
~上図左から、「メインベルト小惑星分布図・ ” Earthly Issues 掲載 ©ESA ”」、「WISE観測の天体分布図・ ” AstroArts 天文ニュース:WISE、全天の75パーセントのサーベイを完了 ©JPL/NASA ”」、「小惑星の分布・” 宇宙情報センター 火星と木星の間にあるメインベルト ©JAXA ”」

メイン・ベルト小惑星には軌道要素が似通ったグループがあります。「族(Family)」と言います。元々は一つの天体だったものが壊れてバラバラになったものであろうと考えられています。全体の形状、表面の地形、表面の分光特性などが族ごとに違うという観測データもありますが、同じ族であっても似ても似つかないものがあり、これは分化過程を経た中規模程度の天体(微惑星)の崩壊天体で、天体内部の各地層が露わになっているためと見られており、分光観測などで全く違った分析結果を得ることがあります。現在では、ベスタ、パラス、フローラ族などを始め、数十の「族」が見つかっています。

2.地球近傍小惑星

地球に接近する軌道を持つ小惑星のことを NEA(Near Earth Asteroid、2009年10月時点で、仮符号のみのものを含めて、6,398個発見されている)と呼んでいます。これは近日点距離が 1.3 AU (太陽と地球の平均距離を 1.0 とした単位)より小さくなるものを指しています。

代表的なものとしては、
アテン群(軌道長半径が 1 AU 以下で遠日点が 0.983 AU 以上のもの)
アポロ群(軌道長半径が 1 AU 以上で近日点が 1.017 AU 以下のもの)
アモール群(軌道長半径が 1 AU 以上で近日点が 1.017 AU 以上 1.3 AU 以下のもの)
これら三つが上げられます。さらに、地球と小惑星の軌道面が交わる点での両軌道間の距離が極めて近いものを PHA(Potentially Hazardous Asteroid)と呼んだりもします。「162173 1999 JU3(リュウグウ)」や、「25143 1998 SF36(イトカワ)」などは、このカテゴリ(地球近傍)に分類されます。

3.共鳴(レゾナン ス)小惑星

1772年に、フランスのラグランジュ(J, L, Lagrange)がその存在を示した、太陽と木星を頂点とする正三角形のもう一つの頂点に位置するトロヤ群小惑星がよく知られています。平均運動共鳴という現象によって、3:2、4:3(小惑星と木星の平均運動比)には、「ヒルダ(Hilda)群」、「チューレ(Thule)群」という小惑星群があります。何だか説明がいい加減な気が...。

逆に、3:1 や 5:2 の位置にはほとんど小惑星は見られません。これをカークウッドの空隙(カークウッド・ギャップとも)と言います。発見者は、アメリカのカークウッド (D, Kirkwood)です。

筆者は中学生の頃にこれら小惑星群の存在を知りましたが、やはり一番興味を引かれたのは小惑星が木星を追い越す「位置」でした。その時、小惑星は近日点(太陽に最も近い)に位置し、当然、ほぼ円(小惑星の軌道と比較して)で太陽を周回する木星からは最も遠いということです。つまり、太陽の影響を最大に受けて木星の影響が最も少ないタイミングで木星を追い越すのです。ヒルダ群やチューレ群がそれです。平均運動比が整数比であることから、この現象は毎回同じです。面白いでしょう、平均運動共鳴って。。。(この筆者、、、あまり深く理解していないな;)
ということで、スペースガード協会サイトにある、判り易い解説を以下に引用(ほぼ転載)します。

上図:左から、「理科年表オフィシャルサイト・小惑星の不思議な分布」、下記解説図1、2、3、4、スペースガード協会機関誌あすてろいど「空間と時間が織りなす幾何学模様」から。


空間と時間が織りなす幾何学模様(スペースガード協会「あすてろいど」から引用)
小惑星は、太陽系空間の中を運動しています。その運動は、基本的には太陽を焦点とした楕円軌道になっています。そんなことは当たり前だ、とおっしゃる方も多いでしょうし、学校でならったような「ケプラーの法則」などあまり思い出したくない、という方もいらっしゃると思います。それに、きちんと天体の運動を計算するためには、「摂動論」という難しい理論をもちださなければなりませんし。。。

ご安心下さい。ここでは、ちょっと別の見方で、小惑星の運動に迫ってみようと思います。ここでいう「別の見方」というのは、時間と空間を超越した(?)ようなものです。ご用とお急ぎでない方は、しばらくお付き合い下さい。

以前のこの講座(「あすてろいど」NO.92-03、NO.93-03)で、「共鳴(レゾナンス)」ということにつてお話したことがあります。これは、単純に言えば、木星が太陽の周りを1回公転するときに小惑星がちょうど2回公転するような運動のことです。この場合を、2:1 の共鳴と呼びます。たとえば、木星が3公転するときに 小惑星が4公転すれば 4:3 の共鳴と呼びます。要するに、木星などの惑星と小惑星の公転周期の比が簡単な整数倍になるときを「共鳴」と呼ぶわけです。

さて、この共鳴について「時間と空間を超えて見る」と、面白いことに出会うことができます。図1 を見てください。これは、木星と 3:1 の共鳴にある小惑星の運動です。どうですか? 太陽系空間に巨大な「花」が咲いたように見えません か?

ここで、再度、図1 が普通の見方で見たものではないことに注意してください。「普通の見方」で見れば、木星も小惑星もただ太陽の周りを楕円軌道を描いて運動しているだけです。では、どうしてこの「花模様」が出現したのでしょうか? 種明かしをすると、ここでは、木星が止まってみえるような立場で見ているためなのです。難しい言葉で言えば、「木星の公転運動と同じ角速度で運動する回転系に座標変換して見た」ためです。(この図では、木星は図中の一番上のところで止まって見えます。)

では、別の共鳴についても見てみましょう。図2 は木星と 2:1 の共鳴です。これは何に見えるでしょうか? 大きなリボンのようにでも見えますか?

さらに、図3 には、木星と 4:3 の共鳴にある場合です。ここでは、木星軌道以外に2つの小惑星の軌道を描いています。特に派手に動いている方は、その名も「ドンキホーテ」と呼ばれる小惑星の運動です。ドンキホーテらしく(?)非常に特殊な軌道でさ迷っているようですね。図3 のように、普通に紙に印刷してしまうと わかりにくいのですが、このドンキホーテの軌道を立体的に見ると、まさに太陽系に咲いた大輪の花のようになっています。もう1つのおとなしい動きをしている方はチューレという名前の小惑星ですが、これも 4:3 の共鳴にあります。この場合には、軌道は膨れた正方形のように見えますね。これらの 4:3 共鳴にある小惑星 をチューレ群と呼んでいます。

ついでに、1:1 共鳴や 3:2 共鳴について図4 に示します。この図では3つの小惑星の軌道が描かれています。まず、左右で小さな渦を描くように動いているのがトロヤ群と呼ばれる小惑星の群に属する2つの小惑星の軌道で、これが 1:1 共鳴です。1:1 共鳴というのは、木星と同じ周期で動いている訳ですから、このよう に木星から一定のところで運動しています。また、膨らんだ三角形の軌道を描いている方が 3:2 の共鳴にある小惑星です。この 3:2 の共鳴にある小惑星をヒルダ群と呼んでいます。

このように、いろいろ面白い軌道が見られるのも、座標変換によって見る立場を変え、さらに小惑星の運動を何周期分も追跡したためです。つまり、この場合は非常に単純なものではありますが、「時間と空間を超える」ことで、このような面白い現象に出会うことができたのです。また、これらはいずれも共鳴というものに本 質的に関係しています。共鳴現象は、まじめに扱うと難しい問題ですが、このように見るとなんだか楽しい感じになりませんか? たまには気分を変えて、別の見方から見るのもいいですね。

吉川真(通信総合研究所、当時)

群など 軌道長半径(AU) 公転周期(年) 惑星 公転周期(年) 共鳴比 備考
地球の準衛星 1.00 1.00 地球 1.00 1:1 常に地球の近くに位置する。
火星トロヤ群 1.52 1.88 火星 1.88 1:1 太陽 - 火星のL4、L5点。
ハンガリア群 1.85 2.52 火星 1.88 4:3  
アリンダ族 2.50 3.95 木星 11.86 1:3 地球近傍小惑星でもある。
ヒルダ群 3.97 7.91 木星 11.86 2:3 木星と衝の頃、近日点通過
(木星に近づかない)。
チューレ群 4.28 8.90 木星 11.86 3:4 2つのみ発見。
木星トロヤ群 5.20 11.86 木星 11.86 1:1 太陽 - 木星のL4、L5点。
海王星トロヤ群 30.11 164 海王星 164 1:1 太陽 - 海王星のL4、L5点。

4.彗星-小惑星遷移天体

通称、CAT(Comet-Asteroid Transition Objects)天体と呼ばれます。これが筆者の最も興味を持つ天体です。その割りによく知らない...。というのも、発見数は少なくて、「そうであろう天体」が多いのでデータに乏しい。MEFの議論のなかで初めて知ったものも多いといった次第。その辺を元に何とか遣り繰りしてみます。
でもこれは、分類としては彗星であるべき?であれば後に彗星編に繰り込むことになりますね。

4 - 1. 彗星!?でも小惑星?
1956年12月5日、第一次南極越冬隊の隊員らを乗せた南極観測船「宗谷」がインド洋上で遭遇した流星群、、「ほうおう座流星群」というのがあります。放射点が、南天のほうおう座付近で、一時間に500個以上であったとの隊員らの証言があります。ところが、、、これ以降の流星群の観測報告は無く、まさに「幻の流星群」として最近にまで至りました。

2005年になり、この流星群の母天体を確定すべく解明に乗り出した研究者たちがいます。国立天文台の渡部潤一さん、日本流星研究会の佐藤幹哉さん、総合研究大学院大学博士課程(当時)の春日敏測さんらのグループです。以下に国立天文台ニュースを抜粋しました。

Memo.
2003年に発見された小惑星「2003 WY25」がブランペイン彗星の軌道とほぼ一致していることから、新たに確定した軌道をもとに、この流星群の出現状況の再現を試みました。この母天体が18世紀から20世紀まで流星の元となる塵をばらまいたと仮定し、しし座流星群の大出現を見事に当てることに成功した最新のダスト・トレイル理論を駆使して計算したところ、1956年は理想的な流星雨の出現条件であったことが判明しました。なにしろ18世紀から19世紀にかけて母天体から生み出されたダスト・トレイル、すなわち流星のもととなる塵の流れが、この1956年にだけ集中して地球軌道を横切っていたのです。さらに横切っている時刻は、宗谷の出現を記録した観測時刻とぴったりでした。そして、他の年にはどのトレイルも地球にほとんど近づいていなかったのです。ここに至って幻の流星群の謎は、49年ぶりに解けたのです。

CAT 天体と推察されている主なものは以下です(ちょっと古いデータかもしれません)。

  • 「60558 Echeclus, 174P/Echeclus」
  • 「176P/LINEAR, 118401 LINEAR」
  • 「3200 Phaethon」
  • 「107P/Wilson-Harrington (4015 Wilson-Harrington)」
  • 「2201 Oljato」
  • 「Adonis」
  • 「Arend-Rigaux」
  • 「Neujmin 1」
  • 「Encke」
  • 「2060 Chiron, 95P/Chiron」
  • 「133P/Elst-Pizarro」

なんだか、怪しい番号が並んでいますね。これは、「1999 JU3」のページでお話した、「呼称」とは微妙にちがいますよね。同じ様なものも在りますが、何か、二つの名前があるような…。これは、「彗星-小惑星遷移天体」であるが故の事由で、小惑星として登録された後、彗星であったということが判明したということが多いからです。その逆はあまりないですね。
彗星の「符号」については~彗星編~で詳説します。

画像は、3200 Phaethon の軌道図と撮像(©NASA)。

4 - 2. ポストはやぶさ2で探ってみたい 3200 Phaethon
3200 Phaethon は、小惑星として観測されていますが、毎年12月に見られるふたご座流星群と軌道が非常によく似ていることから、この流星群の母天体の候補とされています。軌道上に塵の帯を持っていることから、かつては彗星活動をしていたが、現在は表面が不揮発性物質に覆われてしまったなどの理由で、彗星活動を停止したのではないかとも言われています。ポストはやぶさ2の探査候補天体とも言われています。

一方、Wilson-Harrington は小惑星として発見された後に、コマが見られ周期彗星としても登録されている天体です。ポストはやぶさ2対象天体としては、こちらが有力みたいですね。

Oljato は、軌道が彗星に似ていて流星群とも関連しているということで、活動を止めた彗星核の候補と言われています。

Adonis も同様に軌道が彗星に似ており、CAT 天体ではないかと目をつけられています(^^; さらに、Arend-Rigaux 、Neujmin-1 、Encke は活動の弱い彗星で、将来小惑星と区別が着かなくなるのではないかと思われています。(see Kerr, 1985, Science vol. 227, 930-931)
これらに代表される CAT 天体は、そもそも彗星と小惑星は何が違うのかといった問いに答えてくれる天体のようですね。

4 - 3. 彗星と小惑星との違いとは?
彗星と小惑星の違いを大きく三つに分けて考えてみると次のようになります。

(1)軌道の違い
小惑星起源 : 2-5AU. 彗星起源 : outer solar system EKBO( >30AU) Oort cloud( > 10000AU)
(2)形成期の物質組成の違い
星間分子雲から原始惑星系円盤ができ、微惑星が形成される段階での構成物質の日心距離(円盤)依存性が大きかったかもしれない?
(3)形成後の物質変成の違い
衝突史(collisional evolution) 熱史(thermal evolution) 太陽系の外側より内側の方が衝突頻度が高く、太陽輻射による 熱変成を大きく受けている。長周期彗星と短周期彗星の物質の 違いなどもこういった理由に起因するものと思われる。

Memo.
これまでの原始星円盤の観測から、最初に原始太陽系星雲ガスから凝縮した 珪酸塩鉱物は非晶質であり、観測で見られる結晶質珪酸塩鉱物はその非晶質の塵がある程度原始星に近づいた結果、「annealing」を受けて結晶化したのだということ。 つまりこの話に基づけば、彗星でも非晶質鉱物を多く含むものがより始源的であり、結晶質珪酸塩鉱物の比率が高くなるにつれて、より形成年代の若い彗星となる。
より始源的なものを探査するなら、赤外線スペクトルから非晶質珪酸塩鉱物に富むと考えられるものを対象にした方が良い、と言うこと。その後の物質変遷の過程を見るならば、結晶質珪酸塩鉱物に富むものを対象とした方が良いと言うことになる。


ここまでのまとめ?
ここで纏めるとは姑息ですが、そろそろ本業に取り掛からないと、、、。しかし奥が深いですね、探査対象天体。こういったwebページを何枚も書き綴っても際限がありません。ここまでを小惑星の第一編として、ひとまずタイプ終了。近々、続編をアップします。

読んで頂きありがとうございました。

次項:私たちが目指す小天体~小惑星:第二編~(編集中)
前項:「はやぶさ2」が目指す C 型小惑星「1999 JU3(Ryugu)」

サイト内にある関連資料
始原天体有機物研究の今とこれから Ⅱ.不溶性有機物(IOM) - 「遊星人」Vol.22.から転載.2013
始原天体有機物研究の今とこれから Ⅰ.アミノ酸 - 「遊星人」Vol.19.から転載.2010
C 型小惑星の探査における可視・近赤外分光の役割 - 「遊星人」Vol.19.から転載.2010

関連リンク
NASA/JPL・Small-Body Database Browser - NASA/JPL の小天体データベース
スミソニアン天体物理学観測所 (SAO)
小惑星センター (MPC)
MPC 軌道データベース (MPCORB)