ガリレオ衛星

ガリレオ衛星（ガリレオきぼう、英: Galileo satellites / ˌ ɡ æ l ɪ ˈ l eɪ . ə n /）^[1]は、木星の4つの最大の衛星、イオ、エウロパ、ガニメデ、カリストである。これらは、古典的惑星の中で最も暗い土星に次いで太陽系の天体の中で最も見やすい。明るい木星に近いため肉眼での観察は非常に難しいが、一般的な双眼鏡を使えば、光害の多い夜空でも容易に見ることができる。望遠鏡の発明により、1610年に衛星が発見された。これにより、人類が古典的惑星の追跡を開始して以来発見された最初の太陽系の天体となり、地球以外の惑星を周回する最初の天体となった。

これらは惑星質量の衛星であり、太陽系で最も大きい天体の一つである。4つすべて、タイタン、トリトン、地球の月とともに、太陽系のどの準惑星よりも大きい。最大のガニメデは太陽系最大の衛星であり、大きさでは水星を上回っている（質量ではない）。カリストは水星よりわずかに小さいだけであり、より小さいイオとエウロパは月とほぼ同じ大きさである。内側の3つの衛星、イオ、エウロパ、ガニメデは、互いに4:2:1の軌道共鳴状態にある。ガリレオ衛星は球形であるが、木星の残りの衛星はすべて不規則な形をしている。これは、それらの衛星が小さすぎて自己重力で球形に引き寄せられないためである。

ガリレオ衛星はガリレオ・ガリレイにちなんで名付けられました。ガリレオは1609年12月か1610年1月にこれらの衛星を観測し、1610年3月に木星の衛星であると認識しました。^[2] 1892年に木星の5番目に大きな衛星アマルテアが発見されるまで、木星の衛星として知られているのはガリレオだけでした。 ^[3]ガリレオは当初、この発見をコスミカ・シデラ（「コジモの星」）またはメディチ星と名付けましたが、最終的に採用された名前はシモン・マリウスによって選ばれました。マリウスはガリレオとほぼ同時期の1610年1月8日に独立して衛星を発見し、ゼウスが誘惑または誘拐した神話上の人物にちなんで、現在の個別の衛星名を付けた。この名前は、ヨハネス・ケプラーが1614年に出版した著書『惑星の世界』で示唆したものである。 ^[4]衛星の発見により、宇宙には肉眼では見えない物体が存在することが証明され、天文学者にとって望遠鏡が重要な道具であることが示された。地球以外の天体の発見は、当時（知識のあるヨーロッパ人の間で）受け入れられていた、すべての物体が地球の周りを回っているという地動説である プトレマイオス世界体系に深刻な打撃を与えた。

ガリレオ・ガリレイが望遠鏡を改良した結果、倍率が20倍になり、^[5]これまでよりも天体を鮮明に観察できるようになりました。これにより、ガリレオは1609年12月か1610年1月に、後にガリレオ衛星として知られるようになったものを観測することができました。^{[6] [7]}

1610年1月7日、ガリレオは木星の衛星について初めて言及した手紙を書いた。当時、ガリレオが見たのは3つの衛星だけであり、それらは木星の近くの恒星であると信じていた。彼は1610年1月8日から3月2日までこれらの天体の観測を続けた。この観測で、彼は4つ目の天体を発見し、また4つは恒星ではなく木星を周回していることも観察した。^[6]

ガリレオの発見は、それまで肉眼では見えなかった宇宙に発見すべき物体があることを示し、天文学者にとって望遠鏡が重要な道具であることを証明した。さらに重要なことは、地球以外のものを周回する天体の発見が、当時受け入れられていた地球が宇宙の中心にあり、他のすべての天体は地球の周りを回っているというプトレマイオスの世界体系に打撃を与えたことだ。 ^[8]ガリレオが望遠鏡で天体を観測したことを公表した1610年3月13日の『星空の報告』には、太陽を宇宙の中心とする地動説については明示的には触れられていない。それでもガリレオは地動説を受け入れた。^[6]

中国の天文学史家、習沢宗は、紀元前364年に中国の天文学者甘徳が木星の近くで観測した「小さな赤みがかった星」はガニメデであった可能性があると主張している。これが本当であれば、ガリレオの発見より約2千年も前のことになる。^[9]

シモン・マリウスの観測はもう一つの注目すべき観測例であり、彼は後に1609年に衛星を観測したと報告している。 ^[10]しかし、彼はガリレオより後までこれらの発見を公表しなかったため、彼の記録にはある程度の不確実性がある。^[10]

1605年、ガリレオはコジモ・デ・メディチの数学の家庭教師として雇われていた。1609年、コジモはトスカーナ大公コジモ2世となった。ガリレオは、裕福になった元教え子とその有力な一族からの支援を求めて、木星の衛星の発見を利用した。^[6] 1610年2月13日、ガリレオは大公の秘書に次のように書いている。

「神は、このような特別なしるしを通して、私の主への信仰と、主の栄光ある名前が星々の中で平等に生き続けるようにという私の願いを私に明らかにする恵みを与えてくださいました。そして、最初の発見者である私がこれらの新しい惑星に名前を付けることになっているので、その時代の最も優れた英雄たちを星々の中に置いた偉大な賢者たちに倣い、最も穏やかな大公の名をこれらの惑星に刻みたいと思います。」^[6]

ガリレオは当初、この発見をコジモだけに敬意を表して「コスミカ・シデラ（Cosmica Sidera）」 （「コジモの星々」）と名付けた。 ^[a]コジモの秘書は、メディチ家の4兄弟（コジモ、フランチェスコ、カルロ、ロレンツォ）全員に敬意を表して「メディチア・シデラ（ Medicea Sidera ）」（「メディチ家の星々」）に改名することを提案した。 ^[6]この発見は、最初の観測から2か月も経たない1610年3月にヴェネツィアで出版された「星空の報告」で発表された。

1610年3月12日、ガリレオはトスカーナ公に献辞の手紙を書き、翌日には大公にその写しを送り、できるだけ早く大公の支持を得られるよう望んだ。3月19日、彼は木星の衛星を初めて観察した際に使用した望遠鏡と、秘書の助言に従って4つの衛星をメディチ星と名付けた『星空の報告』の公式写しを大公に送った。[ 6 ^]献辞の序文でガリレオは次のように書いている。

あなたの魂の不滅の優美さが地上で輝き始めるや否や、天空に輝く星々が姿を現し、舌のようにあなたの最も優れた美徳を永遠に語り、讃えるでしょう。ですから、あなたの輝かしい名のために用意された 4 つの星をご覧ください。それらは木星の周りを驚くべき速度で旅し、周回します。まるで同じ家族の子供のようです。実際、星の創造主自身が明確な論拠によって、他の誰よりも先にこれらの新しい惑星をあなたの輝かしい名前で呼ぶように私に忠告したようです。^[6]

他に提案されている名前には以下のものがあります。

• I.プリンシパルス（トスカーナの「王子」の意味）、II。ヴィクトリファロス(ヴィットリア デッラ ローヴェレにちなんで)、III。コスミファルス(コジモ・デ・メディチの後) と IV.フェルニファロス(フェルディナンド・デ・メディチ公爵にちなんで) ^[12] – ガリレオの弟子であり、最初の天体表( Medicaeorum Ephemerides、1656 年)の著者であるジョヴァンニ・バッティスタ・ホディエルナ作。
• Circulatores Jovis、またはJovis Comites – Johannes Hevelius著;
• Gardes、またはSatellites (ラテン語のsatelles、satellitisから来ており、「護衛」を意味する) –ジャック・オザナム作。

最終的に採用された名前は、ガリレオと同時期に独立して衛星を発見したシモン・マリウスによって選ばれた。彼はヨハネス・ケプラーの提案により、1614年に出版された著書『惑星の月』の中で、ゼウス（ギリシャ神話のジュピターに相当）の恋人にちなんで衛星に名前を付けた。^[13]

ユピテルは不規則な恋愛をするため、詩人たちから非難されることが多い。ユピテルが密かに求愛して成功したと特に言われているのは、イナコス川の娘イオ、リュカオーンのカリストー、アゲノールのエウロペの 3 人の乙女である。それから、トロス王のハンサムな息子ガニメデスがいました。詩人たちが伝説的に語るように、ワシの姿をとってジュピターが彼を背負って天に運んだのです... ですから、私が最初の星をイオ、2番目をエウロパ、3番目をその光の威厳からガニメデス、4番目をカリストと呼んでも、間違いではないと思います... この想像と特定の名前は、1613年10月にラティスボンのフェアで会ったときに、帝国天文学者ケプラーが私に提案したものです。 ですから、冗談として、そしてその時始まった私たちの友情を記念して、彼をこれら4つの星の共通の父として迎えても、これもまた間違いではないでしょう。

ガリレオはマリウスの名前の使用を断固として拒否し、その結果、今日でも正式な衛星名と並行して使用されている番号体系を発明した。番号は木星から外側に向かって付けられ、イオ、エウロパ、ガニメデ、カリストはそれぞれ I、II、III、IV となる。^[14]ガリレオはこのシステムをノートに使用していたが、実際に公表することはなかった。^[13]番号付きの名前 (木星x ) は、20 世紀半ばに他の内側の衛星が発見され、マリウスの名前が広く使用されるようになるまで使用されていた。^[14]

• ガリレオ衛星の名前の由来
• 
  ヘラの命令でアルゴス・パノプテス（右）が監視するイオ（左）
• 
  ゼウスの背中に乗って雄牛に変わったエウロペ
• 
  ガニュメデス（左）がゼウス（右）に誘拐される
• 
  カリスト（左端）とエロスと他のニンフたち、そしてアルテミスが座っている

ガリレオの発見には実用的な応用がありました。安全な航海には、海上での船の位置を正確に特定する必要がありました。緯度は現地の天文観測で十分に測定できましたが、経度を特定するには、基準経度の時刻と同期した各観測の時刻を知る必要がありました。経度問題は非常に重要で、スペイン、オランダ、イギリスからさまざまな時期にその解決に多額の賞金がかけられました。

ガリレオは、ガリレオ衛星の軌道のタイミングに基づいて経度を決定することを提案した。^[16]月の食の時刻は事前に正確に計算でき、陸上または船上での現地の観測と比較することで、現地時間と経度を決定することができる。ガリレオは1616年にスペインの賞金6,000ダカットと年間2,000ダカットの終身年金に応募し、その約20年後にはオランダの賞金にも応募したが、その頃には異端の疑いで自宅軟禁されていた。^{[17] : 15–16}

木星の衛星観測技術の主な問題は、移動する船の望遠鏡でガリレオ衛星を観測することが困難だったことであり、ガリレオはセラトンを発明してこの問題の解決を試みた。他の人々は改良を提案したが、成功しなかった。^[15]

陸地の地図作成調査でも経度を決定する際に同様の問題があったが、観測条件はそれほど厳しくなかった。この方法は実用的であることが証明され、ジョヴァンニ・ドメニコ・カッシーニとジャン・ピカールがフランスの地図を再作成する際に使用された。^[18]

いくつかのモデルでは、木星の初期の歴史においてガリレオ衛星が数世代存在した可能性があると予測されている。形成された各世代の衛星は木星の原始衛星円盤との潮汐力の相互作用により木星に螺旋状に落ち込み破壊され、残った破片から新しい衛星が形成された。現在の世代が形成される頃には、原始衛星円盤内のガスは衛星の軌道に大きな干渉を及ぼさない程度にまで薄くなっていた。^{[19] [20]}

他のモデルでは、ガリレオ衛星は原始衛星ディスクで形成され、その形成時間は軌道移動の時間スケールと同等かそれより短かったと示唆されている。^[21] イオは無水であり、内部は岩石と金属である可能性が高い。^[19]エウロパは質量の8%が氷と水で、残りが岩石であると考えられている。^[19]これらの衛星は、木星からの距離が短い順に次の通りである。

イオ（木星I）は木星の4つのガリレオ衛星の中で最も内側にある衛星で、直径は3642キロメートルで太陽系で4番目に大きい衛星であり、地球の月とわずかに大きいだけです。イオはヘラの巫女でゼウスの恋人の一人となったイオにちなんで名付けられました。20世紀半ばまでは「木星I」または「木星の最初の衛星」と呼ばれていました。^[14]

イオは400以上の活火山を有し、太陽系で最も地質学的に活発な天体です。^{[25]その表面には100以上の山が点在しており、そのうちのいくつかは地球の}エベレストよりも高いです。 [26]太陽系の外側にあるほとんどの衛星（厚い氷で覆われている）とは異なり、イオは主に溶融鉄または硫化鉄の核を囲むケイ酸塩岩で構成されています。^[27]

証明されてはいないが、ガリレオ探査機のデータはイオが独自の磁場を持っている可能性を示している。^[28]イオの大気は非常に薄く、そのほとんどが二酸化硫黄（SO2 _）で構成されている。^[29]将来、表面データや収集船がイオに着陸するとしたら、木星から発生する放射線や磁場に耐えられるよう、その船は（ソ連のベネラ着陸船の戦車のような）非常に頑丈でなければならないだろう。 ^[30]

エウロパ（木星II）は、ガリレオ衛星の4つのうち2番目で、木星に2番目に近い衛星です。直径は3121.6キロメートルで、地球の月よりわずかに小さいです。この名前は、ゼウスに求愛されてクレタ島の女王になった神話上のフェニキアの貴婦人、エウロパに由来していますが、この名前が広く使われるようになったのは20世紀半ばになってからです。^[14]

エウロパの表面は滑らかで明るく、^[31]惑星のマントルを取り囲む水の層は厚さ100キロメートルと考えられています。^[32]滑らかな表面には氷の層が含まれており、氷の底は液体の水であると理論づけられています。^{[33]表面が若く滑らかであることから、その下には水の海が存在するという仮説が立てられており、}地球外生命の住処となっている可能性があります。^[34]潮汐力による熱エネルギーにより、海は液体のままであり、地質活動を促進しています。^[35]エウロパの氷の下の海には生命が存在する可能性があります。これまでのところ、エウロパに生命が存在するという証拠はありませんが、液体の水が存在する可能性が高いことから、探査機を送るよう呼びかけられています。^[36]

月を縦横に走る目立つ模様は、主にアルベドによるもので、低地地形を強調しているようだ。エウロパの表面は地殻変動が活発で若いため、クレーターはほとんどない。 ^[38]エウロパの片側は常に木星を向いているため、木星の重力がこれらの模様を引き起こしているという説もある。エウロパの表面を裂く火山水の噴火や間欠泉も原因と考えられている。模様の赤褐色は硫黄によるものと理論づけられているが、データ収集装置がエウロパに送られていないため、科学者はまだこれを確認できていない。^{[39]エウロパは主に}ケイ酸塩岩でできており、おそらく鉄の核を持っている。希薄な大気は主に酸素で構成されている。^[40]

ガニメデ（木星III）は、ガリレオ衛星の3番目の衛星で、ギリシャ神話のガニメデにちなんで名付けられました。ガニメデはギリシャの神々の献酌官であり、ゼウスの愛人です。^[41]ガニメデは、直径5262.4キロメートルで太陽系最大の自然衛星であり、水星よりも大きいですが、質量は水星の約半分しかありません。 ^{[42]ガニメデは氷の世界であるためです。太陽系で}磁気圏を持つことが知られている唯一の衛星であり、おそらく液体の鉄の核内の対流によって形成されました。^[43]

ガニメデは主にケイ酸塩岩と氷から成り、塩水の海は氷の層に挟まれたガニメデの表面から約200 km下に存在していると考えられている。^[44]ガニメデの金属核は、これまで考えられていたよりも過去のある時期に高温であったことを示唆している。表面は2種類の地形が混在しており、クレーターの多い暗い領域と、溝や尾根が多数存在する比較的新しいが古い領域である。ガニメデには多数のクレーターがあるが、その多くは消失しているか、氷の地殻がその上に形成されているためほとんど見えない。この衛星には、O、O ₂、おそらくO ₃ (オゾン)、およびいくらかの原子状水素を含む薄い酸素 大気がある。^{[45] [46]}

カリスト（木星IV）は、ガリレオ衛星の4番目で最後の衛星であり、4つの中で2番目に大きい。直径は4820.6キロメートルで、太陽系で3番目に大きい衛星であり、水星よりわずかに小さいが、質量は水星の3分の1しかない。カリストは、ギリシャ神話のニンフ、カリストにちなんで名付けられている。カリストはゼウスの恋人で、アルカディア王リュカオーンの娘であり、女神アルテミスの狩猟仲間であった。この衛星は、 3つの内側のガリレオ衛星に影響を与える軌道共鳴の一部を形成しないため、顕著な潮汐加熱を受けない。^[47]カリストは、ほぼ同量の岩石と氷で構成されており、ガリレオ衛星の中で最も密度が低い。太陽系で最もクレーターの多い衛星の1つであり、その大きな特徴の1つは、幅約3000キロメートルの盆地で、ヴァルハラと呼ばれている。^[48]

カリストは二酸化炭素^[49]とおそらく分子状酸素からなる極めて薄い大気に囲まれている。^[50]調査により、カリストは深さ300キロメートル未満のところに液体の水の海がある可能性があることが明らかになった。 [51] カリスト内に海が存在する可能性が高いことは、生命が存在する可能性があることを示している。しかし、これは近くのエウロパよりも可能性が低い。^[52]カリストは木星の磁場の強力な放射線から最も遠いため、木星系の将来の探査のための人間の基地に最も適した場所であると長い間考えられてきた。^[53]

衛星の軌道の変動は、木星からの距離が離れるにつれて平均密度が減少することを示している。4つのうち最も外側にあり密度が低いカリストの密度は氷と岩石の中間であるのに対し、最も内側にあり密度が高いイオの密度は岩石と鉄の中間である。カリストは、クレーターが多く、変化のない古代の氷表面を持ち、その回転の仕方から密度が均等に分布していることがわかり、岩石や金属の核はなく、岩石と氷の均質な混合物で構成されていることが示唆される。これは、すべての衛星の元々の構造であった可能性が高い。対照的に、内側の3つの衛星の回転は、核に密度の高い物質、その上に軽い物質があるという内部の分化を示している。また、表面の大幅な変化も明らかになっている。ガニメデは、氷表面の過去の地殻変動を明らかにしており、地下層の部分的な溶融を必要とした。エウロパは、この種のより動的で最近の動きを明らかにしており、氷の地殻が薄いことを示唆している。最後に、最も内側の衛星であるイオは、表面が硫黄で、火山活動が活発で、氷の兆候はありません。これらすべての証拠は、衛星が木星に近いほど、その内部が高温になることを示唆しています。現在のモデルでは、衛星は木星の重力場の結果として、巨大惑星からの距離の2乗に反比例して潮汐加熱を受けています。カリスト以外のすべての衛星では、これにより内部の氷が溶け、岩石と鉄が内部に沈み、水が表面を覆うようになりました。ガニメデでは、その後、厚く硬い氷の地殻が形成されました。より暖かいエウロパでは、より薄く、より壊れやすい地殻が形成されました。イオでは、加熱が非常に極端であるため、すべての岩石が溶け、水はずっと前に宇宙に沸騰しています。

木星の通常の衛星は、原始惑星系円盤に類似した、ガスと固体の破片が集積するリングである周惑星系円盤から形成されたと考えられている。^{[55] [56]}これらは、木星の歴史の初期に形成された数十のガリレオ質量の衛星の残骸である可能性がある。^{[20] [55]}

シミュレーションによれば、ディスクはどの瞬間も比較的高い質量を持っていたが、時間の経過とともに、原始太陽系星雲から捕獲された木星の質量のかなりの部分（数十分の1パーセント）がディスクを通過した。しかし、現存する衛星を説明するには、木星のわずか2パーセントのディスク質量で十分である。^[55]そのため、木星の初期の歴史には、ガリレオ質量の衛星が数世代存在した可能性がある。各世代の衛星は、ディスクの抗力により木星に螺旋状に落ち込み、原始太陽系星雲から捕獲された新しい破片から新しい衛星が形成された。^[55]現在（おそらく5代目）の世代が形成される頃には、ディスクは衛星の軌道に大きな干渉を及ぼさない程度に薄くなっていた。^[20]現在のガリレオ衛星も影響を受けており、イオ、エウロパ、ガニメデに今も存在する軌道共鳴に陥り、部分的に保護されている。ガニメデの質量が大きいということは、エウロパやイオよりも速い速度で内側に移動したことを意味する。^[55]木星系の潮汐力による消散はまだ進行中であり、カリストは約15億年後に共鳴に捕らえられ、1:2:4:8の連鎖を形成する可能性がある。^[57]

ガリレオ衛星の 4 つは、木星からもっと遠くに見えさえすれば、望遠鏡なしで地球から見ることができるほど明るい (ただし、低倍率の双眼鏡でも簡単に見分けられる)。木星が太陽と衝のときは見かけの等級が 4.6 から 5.6 で、 ^{[58]木星が}合のときは約 1 等級暗くなる。地球から衛星を観察する際の主な難しさは、衛星が木星に近いため、木星の明るさで見えなくなることである^[59] 。衛星と木星の最大角度分離は 2 分から 10分で、^{[60]これは人間の}視力の限界に近い。最大分離時のガニメデとカリストは、肉眼で観察できる可能性が最も高いターゲットである^{[61] 。}

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  25 cm (10 インチ) のアマチュア用望遠鏡 ( Meade LX200 )から見た木星とガリレオ衛星のすべて。
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  2017 年 4 月 10 日の合の頃に見られる木星とガリレオ衛星、そして満月
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  ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた、エウロパ、カリスト、イオによる木星の三重通過の珍しい画像2 枚(2015 年 1 月 24 日)

ガリレオ衛星の軌道とイオ、エウロパ、ガニメデの共鳴を描いたGIFアニメーション

• フィクションにおける木星の衛星
• 木星系の植民地化

ウィキメディア・コモンズには、ガリレオ衛星に関連するメディアがあります。

• ガリレオ衛星を識別するための Sky & Telescope ユーティリティ
• 木星とガリレオ衛星のインタラクティブな 3D 視覚化

• NASA の木星最大の衛星に関する驚くべき発見 | 太陽系の衛星

• 木星の衛星の初心者ガイド
• ドミニク・フォード: 木星の衛星。ガリレオ衛星の現在の位置を示す図表付き。