木星トロヤ群

木星トロヤ群は、一般的にトロヤ小惑星または単にトロヤ群と呼ばれ、太陽の周りを木星の軌道を共有する小惑星の大きなグループです。木星に対して、各トロヤ群は木星の安定したラグランジュ点の1つ、つまり木星の軌道上で木星より60°前方にあるL ₄または60°後方にあるL ₅の周りを秤動します。木星トロヤ群は、これらのラグランジュ点の周りの2つの細長く湾曲した領域に分布しており、平均半径は約5.2  AUです。^[1]

最初に発見された木星トロヤ群小惑星588アキレスは、1906年にドイツの天文学者マックス・ヴォルフによって発見された。^[2] 2021年5月現在、9,800個以上の木星トロヤ群小惑星が発見されている^{[アップデート]}。^{[3]慣例により、}トロヤ戦争の人物にちなんでギリシャ神話にちなんで名付けられているため、「トロヤ群」という名前が付けられている。直径1kmを超える木星トロヤ群小惑星の総数は約100万個であると考えられており、^[1]これは小惑星帯にある直径1kmを超える小惑星の数とほぼ等しい。^[4]メインベルト小惑星と同様に、木星トロヤ群小惑星は族を形成している。^[5]

2004年現在^{[アップデート]}、多くの木星トロヤ群小惑星は、観測機器によって、赤みがかった特徴のないスペクトルを持つ暗い天体として映し出されている。表面に水やその他の特定の化合物が存在するという確固たる証拠は得られていないが、太陽の放射によって形成された有機ポリマーであるソリンで覆われていると考えられている。 ^{[6]木星トロヤ群小惑星の密度（}連星系または自転光曲線の研究によって測定）は、0.8～2.5 g·cm ⁻³である。^{[5]木星トロヤ群小惑星は、}太陽系の形成初期、またはそれより少し後の巨大惑星の移動中に軌道に捕らえられたと考えられている。^[5]

「トロヤ群小惑星」という用語は、特に木星と共軌道を回る小惑星を指しますが、一般的な用語「トロヤ群」は、より大きな天体と同様の関係にある他の太陽系の小天体にも一般的に適用されることがあります。火星トロヤ群、海王星トロヤ群、天王星トロヤ群、地球トロヤ群の存在が知られています。^{[7] [8] [9]}一時的な金星トロヤ群と土星トロヤ群、 1ケレスと4ベスタも存在します。「トロヤ群小惑星」という用語は通常、特に木星トロヤ群を指すと理解されています。これは、最初のトロヤ群が木星の軌道近くで発見され、木星には現在最も多くのトロヤ群が知られているためです。^[3]

1772年、イタリア生まれの数学者ジョゼフ＝ルイ・ラグランジュは、制限三体問題を研究する中で、惑星と軌道を共有しながらもその60°前方または後方にある小天体は、これらの点の近くに閉じ込められると予測した。^[2]閉じ込められた天体は、オタマジャクシ軌道または馬蹄軌道で平衡点の周りをゆっくりと振動する。^[10]これらの先行点と後続点は、L ₄ラグランジュ点と L ₅ラグランジュ点と呼ばれる。^{[11] [注 1]}ラグランジュ点に閉じ込められた最初の小惑星は、ラグランジュの仮説から1世紀以上経ってから観測された。木星に関連する小惑星が最初に発見された。^[2]

EEバーナードは1904年にトロヤ群（12126）1999 RM 11（当時はA904 RDと識別）の最初の観測を記録したが、当時は彼も他の人もその重要性を理解していなかった。^[12]バーナードは、当時空でわずか2分角離れていた、最近発見された土星の衛星 フィービー、またはおそらく小惑星を見たと信じていた。この天体の正体は、1999年に軌道が計算されるまでわからなかった。^[12]

トロヤ群小惑星の発見として最初に認められたのは1906年2月、ハイデルベルク＝ケーニヒシュトゥール国立天文台の天文学者マックス・ヴォルフが太陽・木星系のL4ラグランジュ点で小惑星を発見した時で_、後に588アキレスと名付けられた。[ 2 ] 1906年^{から1907年にかけて、同じくドイツの天文学者}アウグスト・コップフがさらに2つの木星トロヤ群小惑星（624ヘクトールと617パトロクロス）を発見した。^{[2]ヘクトールはアキレスと同様に}_L4群（惑星の軌道上で惑星の「前方」）に属していたが、パトロクロスは_L5ラグランジュ点（惑星の「後方」）に位置することが知られる最初の小惑星であった。 ^[13] 1938年までに11の木星トロヤ群小惑星が検出されていた。^[14]この数は1961年にようやく14に増加しました。^[2]機器の改良に伴い、発見率は急速に高まり、2000年1月までに合計257個が発見されました。^[11] 2003年5月までにその数は1,600個に増加しました。 [15] 2018年10月現在、木星のトロヤ群小惑星はL ₄に4,601個、L ₅に2,439個存在することが知られています。^{[ 16] [アップデート]}

_{木星のL4点}とL5_{点にあるすべての小惑星に}トロイア戦争の有名な英雄の名を付けるという慣習は、小惑星の軌道を初めて正確に計算したウィーンのヨハン・パリサによって提案された。 ^[2]

主軌道（L4）にある小惑星は_ギリシャの英雄にちなんで命名され（「ギリシャのノードまたは陣営」または「アキレスグループ」）、後続軌道（L5）にある小惑星は_トロイの英雄にちなんで命名される（「トロイのノードまたは陣営」）。^[2]小惑星617パトロクロスと624ヘクトールはギリシャ/トロイのルールが考案される前に命名されたため、トロイのノードには「ギリシャのスパイ」パトロクロスが、ギリシャのノードには「トロイのスパイ」ヘクトールがいた。^{[14] [17]}

2018年、国際天文学連合はウィーンでの第30回総会で、木星のトロヤ群小惑星の命名規則を改正し、Hが12より大きい小惑星（つまり、平均直径が約22キロメートル未満、アルベドが0.057と仮定）にオリンピック選手にちなんで命名することを認めた。これは、木星のトロヤ群小惑星の数が、トロイ戦争で戦ったギリシャ人とトロイの戦士の名前よりもはるかに多いためである。 ^[18]

木星トロヤ群小惑星の総数の推定は、空の限られた領域を深く調査した結果に基づいています。^[1] L ₄群には、直径 2 km を超える小惑星が 160,000 ～ 240,000 個、直径 1 km を超える小惑星が約 600,000 個あると考えられています。^{[1] [11]} L ₅群に同数の天体が含まれている場合、 1 km 以上の大きさの木星トロヤ群小惑星は100 万個以上あります。絶対等級9.0より明るい天体については、おそらくすべてが揃っています。^[15]これらの数は、小惑星帯の同等の小惑星の数とほぼ同じです。^[1]木星トロヤ群小惑星の総質量は、地球の質量の 0.0001、または小惑星帯の質量の 5 分の 1 と推定されています。^[11]

さらに最近の 2 つの研究では、上記の数値は木星トロヤ群の数を数倍も過大評価している可能性があることが示されています。この過大評価の原因は、(1) すべての木星トロヤ群のアルベドが約 0.04 と低いのに対し、小天体の平均アルベドは 0.12 にもなるという仮定、^[19] (2) 木星トロヤ群の天空分布に関する誤った仮定です。^[20]新しい推定によると、直径 2 km を超える木星トロヤ群の総数は、L ₄群と L _{5群でそれぞれ}6,300 ± 1,000 個と3,400 ± 500 個です。^[20]小さな木星トロヤ群が大きな木星トロヤ群よりも反射率が高い場合、これらの数は 2 分の 1 に減少します。^[19]

L ₄群で観測された木星トロヤ群の数は、L _{5 群}で観測された数よりもわずかに多い。最も明るい木星トロヤ群の数には 2 つの集団間でほとんど差が見られないため、この差は観測バイアスによるものと考えられる。^[5]一部のモデルでは、L ₄群は L ₅群よりもわずかに安定している可能性があることが示唆されている。^[10]

木星トロヤ群最大のものは624ヘクトルで、平均直径は203±3.6kmである。^[15]全体と比較すると、木星トロヤ群の大型化は少ない。サイズが小さくなるにつれ、木星トロヤ群の数は84kmまで急速に増加し、小惑星帯よりもはるかに多い。直径84kmは、アルベドを0.04と仮定すると、絶対等級9.5に相当する。4.4～40kmの範囲内では、木星トロヤ群のサイズ分布は、メインベルト小惑星の分布に似ている。より小型の木星トロヤ群の質量については何もわかっていない。^[10]サイズ分布から、より小型のトロヤ群は、より大きな木星トロヤ群の衝突によって生成された可能性があることが示唆されている。^[5]

木星トロヤ群小惑星の軌道半径は 5.05 から 5.35 AU (平均半長軸は 5.2 ± 0.15 AU) で、2 つのラグランジュ点の周囲の細長い湾曲した領域全体に分布しています。^[1]各群小惑星は木星の軌道に沿って約 26° 伸びており、総距離は約 2.5 AU になります。^[11]群小惑星の幅はヒル半径の2 倍にほぼ等しく、木星の場合は約 0.6 AU になります。^[10]木星トロヤ群小惑星の多くは、木星の軌道面に対して最大 40° の大きな軌道傾斜角を持っています。^[11]

木星トロヤ群小惑星は、木星から一定の距離を保ってはいない。それぞれの平衡点の周りをゆっくりと秤動し、定期的に木星に近づいたり遠ざかったりする。^[10]木星トロヤ群小惑星は、一般的にラグランジュ点の周りをオタマジャクシ軌道と呼ばれる軌道をたどり、秤動の平均周期は約 150 年である。 ^[11]秤動の振幅 (木星軌道に沿った) は 0.6° から 88° まで変化し、平均は約 33° である。^{[10]シミュレーションによると、木星トロヤ群小惑星は、ラグランジュ点から別のラグランジュ点に移動するときに、さらに複雑な軌道をたどる可能性があり、これは}馬蹄軌道と呼ばれている(現在、木星トロヤ群小惑星でこのような軌道を持つものは知られていないが、海王星のトロヤ群小惑星には馬蹄軌道があることが知られている)。[ ^10]

木星トロヤ群の集団内での力学ファミリーの識別は、小惑星帯の場合よりも困難です。なぜなら、木星トロヤ群は、可能な位置の範囲がはるかに狭いためです。つまり、クラスターは全体の群れと重なり合ったり、融合したりする傾向があります。2003 年までに、約 12 の力学ファミリーが特定されました。木星トロヤ群は、小惑星帯のファミリーよりも規模がはるかに小さく、最も大きいファミリーであるメネラウス グループには、わずか 8 つのメンバーしかいません。^[5]

2001年、617パトロクロスは木星のトロヤ群小惑星として初めて連星系であることが確認された。^{[21]連星系の軌道は650kmで、主小惑星の}ヒル球面の35,000kmと比べて非常に近い。^[22]木星のトロヤ群小惑星の中で最大の624ヘクトルは、おそらく衛星との接触連星系である。 ^{[5] [23] [24]}

木星トロヤ群は不規則な形状をした暗い天体である。その幾何学的アルベドは一般に 3 ～ 10% の範囲である。^[15]平均値は 57 km を超える天体では 0.056 ± 0.003 であり、^[5] 25 km 未満の天体では 0.121 ± 0.003 (R バンド) である。^[19]小惑星4709 エンノモスは、既知の木星トロヤ群の中で最も高いアルベド (0.18) を持つ。^[15]木星トロヤ群の質量、化学組成、自転、その他の物理的特性についてはほとんどわかっていない。^[5]

木星トロヤ群小惑星の自転特性はよくわかっていない。72個の木星トロヤ群小惑星の自転光曲線を解析したところ、平均自転周期は約11.2時間であったが、小惑星帯の小惑星のコントロールサンプルの平均周期は10.6時間であった。 ^[25]木星トロヤ群小惑星の自転周期の分布はマクスウェル関数でよく近似されているように見えたが^{[注 2]、}メインベルト小惑星の分布は非マクスウェル関数であり、8～10時間の範囲で周期が不足していることが判明した。^[25]木星トロヤ群小惑星の自転周期のマクスウェル分布は、小惑星帯と比較して、より強い衝突進化を遂げてきたことを示している可能性がある。^[25]

2008年、カルヴィン大学の研究チームが木星のトロヤ群小惑星10個の偏りのないサンプルの光度曲線を調べ、平均自転周期が18.9時間であることを発見した。この値は、同サイズのメインベルト小惑星の値（11.5時間）よりも大幅に高かった。この差は木星のトロヤ群小惑星の平均密度が低いことを意味している可能性があり、これはトロヤ群小惑星がカイパーベルトで形成されたことを示唆している可能性がある（下記参照）。^[26]

分光学的に、木星のトロヤ群小惑星のほとんどはD型小惑星であり、小惑星帯の外側の領域で優勢である。^[5]少数はP型またはC型小惑星に分類される。^[25]それらのスペクトルは赤色（より長い波長でより多くの光を反射することを意味する）または中性で特徴がない。^[15] 2007年時点で、水、有機物、またはその他の化合物の確固たる証拠は得られていない^{[アップデート]}。4709 エンノモスは木星トロヤ群平均よりもわずかに高いアルベドを持ち、これは水氷の存在を示している可能性がある。 911 アガメムノンや617 パトロクロスなどの他の木星トロヤ群小惑星は、1.7 μmと2.3 μmで非常に弱い吸収を示しており、これは有機物の存在を示している可能性がある。^{[27]木星トロヤ群のスペクトルは}木星の不規則衛星や、ある程度は彗星核のスペクトルと似ているが、木星トロヤ群はより赤いカイパーベルト天体とはスペクトル的に大きく異なる。^{[1] [5]}木星トロヤ群のスペクトルは、水氷、大量の炭素を豊富に含む物質（木炭） ^[5]、そしておそらくマグネシウムを豊富に含むケイ酸塩の混合物に一致することができる。^[25]木星トロヤ群の集団の構成は著しく均一であり、2つの群れの間にほとんどまたは全く違いがないように見える。^[28]

ハワイのケック天文台のチームは2006年に、木星のトロヤ群星617パトロクロスの密度が水氷の密度（0.8 g/cm ³ ）よりも低いことを測定したと発表した。これは、この対、そしておそらく他の多くのトロヤ群天体が、小惑星帯の小惑星よりも、彗星やカイパーベルト天体（水氷と塵の層）に近い組成であることを示唆している。^[22]この議論に反論して、自転光曲線から測定されたヘクトルの密度（2.480 g/cm ³）は、617パトロクロスの密度よりも大幅に高い。^[24]このような密度の違いは、密度が小惑星の起源の良い指標ではないことを示唆している。^[24]

木星トロヤ群の形成と進化を説明するために、2つの主要な理論が浮上している。1つ目は、木星トロヤ群は太陽系の木星と同じ部分で形成され、木星の形成中にその軌道に入ったというものである。^{[10]木星形成の最終段階では、}原始惑星系円盤からの大量の水素とヘリウムの集積による質量の暴走成長が起こった。この成長はわずか1万年ほど続いたが、その間に木星の質量は10倍に増加した。木星とほぼ同じ軌道を持っていた微惑星は、増加した惑星の重力に捕らえられた。^[10]この捕獲メカニズムは非常に効率的で、残りの微惑星の約50%が捕らえられた。この仮説には2つの大きな問題がある。捕獲された天体の数は木星のトロヤ群の観測された個体数を4桁上回っており、現在の木星のトロヤ群小惑星の軌道傾斜角は捕獲モデルで予測されるものよりも大きい。^[10]このシナリオのシミュレーションでは、このような形成モードは土星での同様のトロヤ群の生成も抑制することが示されており、これは観測によって裏付けられている。現在まで土星の近くでトロヤ群は発見されていない。^[29]この理論のバリエーションでは、木星は成長初期にトロヤ群を捕獲し、成長を続けるにつれて移動する。木星の移動中、馬蹄形軌道にある物体の軌道は歪み、これらの軌道のL4側が過剰に占有される。その結果、木星の成長に伴って馬蹄形軌道がオタマジャクシ軌道に移行すると、L4側に過剰なトロヤ群が捕獲される。このモデルでは木星のトロヤ群の個体数は3～4桁も大きすぎることになる。^[30]

2つ目の理論は、木星トロヤ群はニースモデルで説明されている巨大惑星の移動中に捕獲されたと提唱している。ニースモデルでは、太陽系形成から5億～6億年後、木星と土星が1:2の平均運動共鳴を越えたときに巨大惑星の軌道が不安定になった。惑星同士の遭遇の結果、天王星と海王星は原始カイパーベルトに向かって外側に散らばり、それを乱して何百万もの物体を内側に投げ込んだ。^[31]木星と土星が1:2共鳴に近かったとき、既存の木星トロヤ群の軌道は木星と土星との二次共鳴中に不安定になった。これは、トロヤ群がラグランジアン点を中心に秤動する周期が、木星が土星を通過する位置が近日点に対して循環する周期に対して3:1の比率になったときに発生した。このプロセスは可逆的であり、天王星と海王星によって内側に散らばった多数の天体の一部がこの領域に入り、木星と土星の軌道が分離したときに捕獲される可能性がある。これらの新しいトロヤ群小惑星は、捕獲される前に巨大惑星と複数回遭遇した結果として、幅広い傾斜角を持っていた。^[32]このプロセスは、木星と土星がより弱い共鳴を通過するときにも発生する可能性がある。^[33]

ニースモデルの改訂版では、木星が不安定な時期に氷巨星に遭遇すると、木星トロヤ群が捕獲される。このニースモデルのバージョンでは、氷巨星の1つ（天王星、海王星、または失われた5番目の惑星）が木星を横切る軌道上に内側に散らばり、木星によって外側に散らばるため、木星と土星の軌道が急速に分離する。これらの遭遇中に木星の半長軸がジャンプすると、既存の木星トロヤ群が脱出し、木星の新しい半長軸に似た半長軸を持つ新しい天体が捕獲される。最後の遭遇の後、氷巨星は秤動点の1つを通過して軌道を乱し、この秤動点を他の点に比べて枯渇させる可能性がある。遭遇が終わると、これらの木星トロヤ群の一部は失われ、残りは木星と土星が3:7共鳴などの弱い平均運動共鳴に近づいたときに、元のニースモデルのメカニズムを介して捕獲されます。^[33]

木星トロヤ群の長期的な将来は疑問視されている。なぜなら、木星と土星との弱い共鳴が複数回起こり、時間の経過とともに無秩序な振る舞いをするからである。^[34]衝突による破片の放出により、木星トロヤ群の数は徐々に減少している。放出された木星トロヤ群は、木星または木星族の彗星の一時的な衛星になる可能性がある。^[5]シミュレーションによると、木星トロヤ群の最大17％の軌道は、太陽系の年齢を超えて不安定である。^[35] Levisonらは、直径1kmを超える放出された木星トロヤ群が約200個、太陽系を周回している可能性があり、そのうちのいくつかは地球を横切る軌道上にある可能性があると考えている。^[36]脱出した木星トロヤ群の一部は、太陽に近づいて表面の氷が蒸発し始めると、木星族の彗星になる可能性がある。^[36]

2017年1月4日、NASAはルーシーがディスカバリー計画の次の2つのミッションのうちの1つに選ばれたと発表した。^[37] ルーシーは7つの^[38]木星トロヤ群を探査する予定である。2021年10月16日に打ち上げられ、2回の地球重力アシストとメインベルト小惑星のフライバイの後、2027年にL4トロヤ群雲に到着する予定である_。その後、地球付近に戻り、別の重力アシストを受けて木星のL5トロヤ群雲に行き、617パトロクロスを訪問する予定である。^[39]

ウィキメディア・コモンズには、木星のトロヤ群に関連するメディアがあります。

• 「小惑星センターのトロヤ群小惑星リスト」。
• シェパード、スコット。「トロイの小姓」
• Lykawka, PS; Horner (2010). 「惑星移動中の巨大惑星によるトロヤ小惑星の捕獲」.王立天文学会月報. 405 (1383): 1375–1383. arXiv : 1003.2137 . Bibcode :2010MNRAS.405.1375L. doi : 10.1111/j.1365-2966.2010.16538.x . S2CID  54084401.
• NASA の WISE による木星系小惑星の未知の色 (NASA 2012-322: 2012 年 10 月 15 日)
• NASA の新しいディスカバリー ミッション: プシュケとルーシーがYouTubeに登場
• 木星のトロヤ群小惑星10大の3D重力シミュレーション 2020年6月11日アーカイブウェイバックマシン