惑星科学

惑星科学（まれに惑星学）は、惑星（地球を含む）、天体（衛星、小惑星、彗星など）、惑星系（特に太陽系のもの）とその形成過程に関する科学的研究である。微小隕石から巨大ガス惑星までの大きさの天体を研究し、その組成、動力学、形成、相互関係、歴史を解明することを目的としています。これは、もともと天文学と地球科学から発展した、非常に学際的な分野であり、^[1]現在では惑星地質学、宇宙化学、大気科学、物理学、海洋学、水文学、理論惑星科学、氷河学、太陽系外惑星学など、多くの分野を組み込んでいます。^[1]関連分野には、太陽が太陽系の天体に与える影響を扱う宇宙物理学や、宇宙生物学などがあります。

惑星科学には相互に関連した観測分野と理論分野があります。観測研究には、主にリモートセンシングを使用したロボット宇宙船ミッションによる宇宙探査と、地上の研究所での比較実験作業の組み合わせが含まれます。理論的要素には、かなりのコンピューターシミュレーションと数学的モデリングが含まれます。

惑星科学者は一般に大学や研究センターの天文学、物理学、または地球科学部門に所属していますが、純粋に惑星科学の研究所は世界中にいくつかあります。一般に、惑星科学者は大学院レベルで地球科学、天文学、天体物理学、地球物理学、または物理学のいずれかを学び、惑星科学の分野に研究を集中しています。毎年、いくつかの主要な会議があり、さまざまな査読付きジャーナルがあります。一部の惑星科学者は民間の研究センターで働いており、パートナーシップ研究タスクを開始することがよくあります。

惑星科学の歴史は、古代ギリシャの哲学者デモクリトス から始まったと言える。ヒッポリュトスは次のように述べている。

秩序ある世界は無限で大きさも異なり、太陽も月もない世界もあれば、どちらも我々の世界よりも大きい世界、さらに数が多い世界もある。秩序ある世界間の間隔は不均等で、ここでは多く、あちらでは少なく、ある世界は増加し、ある世界は繁栄し、ある世界は衰退し、ここでは世界が生まれ、あちらでは消える。しかし、それらは互いに衝突して破壊される。また、ある秩序ある世界には動物や植物がなく、水がまったくない。^[2]

近代では、惑星科学は天文学において、未解明の惑星の研究から始まりました。この意味で、最初の惑星天文学者はガリレオでしょう。彼は木星の4つの最大の衛星、月の山々を発見し、土星の環を初めて観測しました。これらはすべて、後に熱心に研究される対象です。ガリレオが1609年に月の山々を研究したことで、地球外の風景の研究も始まりました。「月は確かに滑らかで磨かれた表面を持っていない」という彼の観察は、月や他の世界が「地球そのものの表面とまったく同じ」ように見えるかもしれないことを示唆しました。^[3]

望遠鏡の構造と機器の解像度の進歩により、惑星の大気と表面の詳細を徐々に識別できるようになりました。月は地球に近いため、表面に常に精巧な特徴を示し、最初は最も熱心に研究されました。そして、技術の向上により、徐々に月の地質学に関する詳細な知識が得られました。この科学的プロセスでは、主な機器は天文光学望遠鏡（後に電波望遠鏡）であり、最終的には宇宙探査機などのロボット探査宇宙船でした。

太陽系は現在、比較的よく研究されており、この惑星系の形成と進化に関する全体的な理解は良好です。しかし、未解決の問題は数多くあり、^[4]現在太陽系を 探索している惑星間宇宙船の数が多いこともあり、新しい発見の割合は非常に高くなっています。

惑星科学は、観測天文学、理論天文学、地質学（天体地質学）、大気科学、そして惑星海洋学と呼ばれる惑星の海洋における新たな専門分野を研究します。^[5]

これは観測科学と理論科学の両方です。観測研究者は主に太陽系の小天体の研究に携わっています。小天体は光学望遠鏡と電波望遠鏡の両方で観測され、形状、回転、表面物質、風化などの特性が判定され、その形成と進化の歴史が理解されます。

理論惑星天文学は、力学、つまり天体力学の原理を太陽系および太陽系外惑星系に適用することを扱っています。太陽系外惑星の観測とその物理的特性の判定、つまり太陽系外惑星学は、太陽系の研究のほかに、主要な研究分野です。すべての惑星には独自の分野があります。

惑星科学において、地質学という用語は最も広い意味で使用され、惑星や衛星の表面と内部、核から磁気圏までの研究を意味します。惑星地質学の最もよく知られた研究テーマは、地球の近くにある惑星、つまり月と、その2つの近隣惑星である金星と火星を扱っています。これらのうち、月は地球で以前に開発された方法を使用して最初に研究されました。惑星地質学は、固体表面を示す天体、または構造の一部として重要な固体物理的状態を持つ天体に焦点を当てています。惑星地質学は、地質学、地球物理学、地球化学を惑星に適用します。^[6]

地形学は、惑星表面の特徴を研究し、その形成の歴史を再構築して、表面に作用した物理的プロセスを推測します。惑星地形学には、いくつかの種類の表面特徴の研究が含まれます。

• 衝突地形（多重環状盆地、クレーター）^[7]
• 火山と地殻構造（溶岩流、割れ目、溝）^[8]
• 氷河の特徴^[7]
• 風成岩の特徴^[8]
• 宇宙風化– 宇宙の過酷な環境によって生じる侵食効果（継続的な微小隕石の衝突、高エネルギー粒子の雨、衝撃による土壌の劣化）。たとえば、月の表土の表面を覆う薄い塵は、微小隕石の衝突の結果です。
• 水文学的特徴：関与する液体は、太陽系内の場所に応じて、水から炭化水素、アンモニアまでさまざまです。このカテゴリには、古水文学的特徴（古水路、古湖）の研究が含まれます。^[9]

惑星表面の歴史は、ニコラス・ステノが地球の地層で最初に決定した堆積順序に従って、上から下まで地物を地図化することで解読できます。たとえば、地層地図の作成により、アポロ宇宙飛行士は月面ミッションで遭遇する野外地質に備えることができました。ルナ・オービター・プログラムで撮影された画像では重複する順序が特定され、これらを使用して月の地層柱と地質図が作成されました。

太陽系の天体の形成と進化に関する仮説を立てる際の主な問題の一つは、実験室で分析できるサンプルが不足していることである。実験室には、さまざまなツールが用意されており、地球の地質学から得られる知識全体を活用できる。月、小惑星、火星からの直接サンプルは、母天体から切り離され、隕石として地球上に存在している。これらの一部は、地球の大気の酸化作用や生物圏への侵入によって汚染されているが、過去数十年間に南極から収集された隕石は、ほぼ完全に無傷である。

小惑星帯に由来するさまざまな種類の隕石は、分化した天体の構造のほぼすべての部分をカバーしています。コアマントル境界から来た隕石（パラサイト）も存在します。地球化学と観測天文学の組み合わせにより、 HED隕石をメインベルトの特定の小惑星、ベスタ4まで遡ることも可能になりました。

比較的少数の既知の火星隕石は、火星地殻の地球化学的組成についての洞察を提供してきたが、多様な火星表面におけるそれらの起源に関する情報が避けられないほど不足しているため、火星リソスフェアの進化の理論に詳細な制約を与えることはできなかった。^[10] 2013年7月24日現在、地球上で65個の火星隕石のサンプルが発見されている。その多くは南極またはサハラ砂漠で発見された。

アポロ時代のアポロ計画では、384キログラムの月のサンプルが収集され地球に運ばれ、3機のソ連のルナ・ロボットも月からレゴリスのサンプルを運んだ。これらのサンプルは、地球を除く太陽系の天体の組成に関する最も包括的な記録を提供している。月の隕石の数はここ数年で急速に増加しており、^[11] 2008年4月時点で、54個の隕石が正式に月の隕石として分類されている。このうち11個は米国南極隕石コレクションからのものであり、6個は日本の南極隕石コレクションからのものであり、他の37個はアフリカ、オーストラリア、中東の暑い砂漠地帯からのものである。認識されている月の隕石の総質量は50kgに近い。

宇宙探査機により、可視光領域だけでなく、電磁スペクトルの他の領域でもデータを収集することが可能になりました。惑星は、重力と磁場という力場によって特徴付けられ、地球物理学と宇宙物理学を通じて研究されています。

宇宙船が軌道を周回する際に受ける加速度の変化を測定することで、惑星の重力場を詳細にマッピングできるようになりました。たとえば、1970 年代には、月の海上空の重力場の乱れが月周回衛星によって測定され、インブリウム盆地、セレニタティス盆地、クリシウム盆地、ネクタリス盆地、ヒューモルム盆地の下に質量の集中部分であるマスコンが発見されました。

惑星の磁場が十分に強い場合、太陽風との相互作用により、惑星の周りに磁気圏が形成されます。初期の宇宙探査機は、太陽に向かって地球半径の約 10 倍に広がる地球磁場の全体的な大きさを発見しました。荷電粒子の流れである太陽風は、地球磁場の外側と周囲を流れ、磁気尾の背後、地球半径の数百倍下流まで続きます。磁気圏内には、太陽風粒子の比較的密集した領域、ヴァン アレン放射線帯があります。

惑星地球物理学には、地震学、構造物理学、地球流体力学、鉱物物理学、地球力学、数理地球物理学、地球物理調査などが含まれますが、これらに限定されません。

惑星測地学（惑星測地学とも呼ばれる）は、太陽系の惑星、その重力場、地球力学現象（3次元の時間変動空間における極運動）の測定と表現を扱っています。測地学の科学には、天体物理学と惑星科学の両方の要素があります。地球の形状は、主に自転の結果であり、自転によって赤道が膨らみ、プレートの衝突や火山活動などの地質学的プロセスと地球の重力場の抵抗が競合しています。これらの原理は、地球の固体表面（造山運動）に適用できます。10 km（6マイル）を超える山はほとんどなく、それより深い深海溝もほとんどありません。これは、たとえば15 km（9マイル）の高さの山では、重力により山麓に非常に大きな圧力がかかるため、そこにある岩石が可塑性になり、地質学的に重要でない時間で山が約10 km（6マイル）の高さまで後退するからです。これらの地質学的原理の一部またはすべては、地球以外の他の惑星にも適用できます。たとえば、表面重力がはるかに小さい火星では、最大の火山であるオリンポス山の頂上の高さは27 km（17マイル）で、地球上ではその高さを維持することはできません。地球のジオイドは、本質的には地形的特徴から抽象化された地球の形状です。したがって、火星のジオイド（アレオイド）は、本質的には地形的特徴から抽象化された火星の形状です。測量と地図作成は、ジオイドの2つの重要な応用分野です。測地学。

大気は、固体惑星表面と、より希薄な電離放射線帯との間の重要な遷移領域です。すべての惑星に大気があるわけではありません。その存在は、惑星の質量と太陽からの距離によって決まります。遠すぎると、大気が凍結することもあります。4 つの巨大惑星のほかに、4 つの地球型惑星のうち 3 つ(地球、金星、火星) には、かなりの大気があります。土星の衛星タイタンと海王星の衛星トリトンの2 つの衛星にも、かなりの大気があります。水星の周りには、希薄な大気が存在します。

惑星の 自転速度の影響は、大気の流れや海流に現れます。宇宙から見ると、これらの特徴は雲のシステム内の帯や渦として現れ、特に木星と土星でよく見られます。

太陽系外惑星学は、太陽系の外に存在する惑星である太陽系外惑星を研究します。最近まで、太陽系外惑星を研究する手段は非常に限られていましたが、研究技術の現在の革新速度により、太陽系外惑星学は急速に発展している天文学のサブフィールドになりました。

惑星科学では、研究対象をより深く理解するために比較の手法を頻繁に利用します。これには、地球と土星の衛星タイタンの濃い大気の比較、太陽からの距離が異なる太陽系外縁天体の進化、地球型惑星の表面の地形など、いくつかの例が含まれます。

主な比較対象は地球上の地物です。地球上の地物の方がはるかにアクセスしやすく、より広範囲の測定が可能です。地球類似物の研究は、惑星地質学、地形学、大気科学の分野で特に一般的です。

地上の類似物の使用は、ギルバート（1886）によって初めて記述されました。^[8]

• フランク・ハーバートの1965年のSF小説『デューン』では、主要な脇役であるリート＝カイネスが架空の惑星アラキスの「帝国惑星学者」を務めており、この役職は彼が父のパルドット・カイネスから受け継いだものである。^[12]この役割において、惑星学者は生態学者、地質学者、気象学者、生物学者のスキルを持ち、人間社会学の基本的な理解を持っていると説明されている。^{[12] [13]}惑星学者はこの専門知識を惑星全体の研究に応用する。^{[12] [13]}『デューン』シリーズでは、惑星学者は惑星の資源を理解し、テラフォーミングやその他の惑星規模の工学プロジェクトを計画するために雇用されている。^{[12] [13]}『デューン』におけるこの架空の役職は、惑星科学を取り巻く議論自体に影響を与えており、ある著者は関連分野における「試金石」と呼んでいる。^{[14]一例として、}シビル・P・ザイツィンガーがネイチャー誌に発表した論文は、デューンにおける架空の役割についての簡単な紹介で始まり、地球上の人間の活動の管理を支援するために、リート＝カイネスと同様のスキルを持つ人物を任命することを検討すべきであると示唆している。^[15]

このリストには、惑星科学を研究する主要なグループを擁する機関や大学が含まれていますが、これらに限定されません。順序はアルファベット順です。

• アメリカ天文学会惑星科学部門（DPS）
• アメリカ地球物理学連合
• 隕石学会
• ユーロプラネット

• カナダ宇宙庁(CSA)
• 中国国家宇宙局（CNSA、中華人民共和国）。
• フランス国立宇宙研究センター国立空間研究センター
• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt eV (ドイツ語: 略称 DLR)、ドイツ航空宇宙センター
• 欧州宇宙機関(ESA)
• インド宇宙研究機関(ISRO)
• イスラエル宇宙庁(ISA)
• イタリア宇宙機関
• 宇宙航空研究開発機構（JAXA）
• NASA（アメリカ航空宇宙局、アメリカ合衆国）
  • JPL
  • GSFC
  • エイムズ
• 国家宇宙機関（台湾）。
• ロシア連邦宇宙局
• 英国宇宙庁（UKSA）。

• 月惑星科学会議(LPSC) は、ヒューストンの月惑星研究所が主催しています。1970 年以来毎年 3 月に開催されています。
• 惑星科学部門(DPS) の会議は、1970 年以来毎年、主に米国本土内の異なる場所で開催されています。開催時期は 10 月頃です。
• アメリカ地球物理学連合（AGU）の年次秋季会議が12月にサンフランシスコで開催されます。
• アメリカ地球物理学連合(AGU) 合同総会 (他の学会との共催) が 4 月から 5 月にかけて世界各地で開催されます。
• 隕石学会の年次総会は、北半球の夏に、通常は北米とヨーロッパで交互に開催されます。
• ヨーロッパ惑星科学会議 (EPSC) は、毎年 9 月頃にヨーロッパ内の場所で開催されます。

特定の分野に関する小規模なワークショップや会議が、年間を通じて世界中で開催されています。

• 火星の地理
• 惑星地図作成
• 惑星座標系
• 月面観測学– 月の表面と物理的特徴の研究
• 理論惑星学
• 太陽系探査のタイムライン

• Carr, Michael H., Saunders, RS, Strom, RG, Wilhelms, DE 1984.地球型惑星の地質学。NASA。
• モリソン、デイビッド。1994年。惑星の世界の探査。WHフリーマン。ISBN 0-7167-5043-0 
• Hargitai H 他 (2015)惑星の地形の分類と特徴付け。Hargitai H (ed) 惑星の地形百科事典。Springer。doi :10.1007/978-1-4614-3134-3 https://link.springer.com/content/pdf/bbm%3A978-1-4614-3134-3%2F1.pdf
• Hauber E 他 (2019)惑星地質図作成。Hargitai H (ed) 惑星地図作成と GIS。Springer。
• Page D (2015)惑星の地形の地質学。Hargitai H (ed) 惑星の地形百科事典。Springer。
• ロッシ、AP、ファン ガッセルト S (編) (2018)惑星地質学。スプリンガー

• 惑星科学研究の発見（記事）
• 惑星協会（世界最大の宇宙関連団体：活発なニュースブログも参照）
• 惑星探査ニュースレター（PSI発行の専門ニュースレター、毎週配信）
• 惑星科学における女性（専門家のネットワークとニュース）