冥王星の衛星

準惑星 冥王星には5つの衛星がある。^[1]冥王星からの距離の順に、カロン、ステュクス、ニクス、ケルベロス、ヒドラである。^[2]最大のカロンは冥王星と潮汐力で相互に固定されており、その質量から冥王星とカロンは連星準惑星と見なされることもある。^[3]

最も内側で最大の衛星カロンは、冥王星の発見からほぼ半世紀後の 1978 年 6 月 22 日にジェームズ・クリスティによって発見されました。これにより、それまで冥王星系の観測された質量と反射光はすべて冥王星のみに起因すると想定されていた冥王星の大きさの推定値が大幅に修正されました。

2005年5月15日、ニューホライズンズ計画の準備とハッブル宇宙望遠鏡を使った作業を行っていた冥王星コンパニオン探索チームの天文学者らにより、さらに2つの衛星が撮影され、暫定的にS/2005 P 1とS/2005 P 2と命名された。国際天文学連合は、2006年6月21日にこれらの衛星をニクス（冥王星II、2つの衛星のうち内側の衛星、以前はP 2）とヒドラ（冥王星III、外側の衛星、以前はP 1）と正式に命名した。^{[4] 2011年7月20日に発表されたケルベロスは、冥王星の環の探索中に発見された。ステュクスの発見は、2012年7月7日、}ニューホライズンズの潜在的危険の探索中に発表された。^[5]

カロンは冥王星の直径の約半分で、質量も十分大きい（冥王星の質量の約8分の1）ため、システムの重心は冥王星と冥王星の間に位置し、冥王星の表面から約960キロメートル（600マイル）上空にある。^{[6] [a]}カロンと冥王星は潮汐力も固定されており、常に同じ面を向けている。 2006年8月のIAU総会では、冥王星とカロンを二重惑星として再分類する提案が検討されたが、この提案は廃案となった。^[7] 冥王星と同様に、カロンは測定の不確かさの範囲内で完全な球体である。^[8]

冥王星の 4 つの小さな周連星衛星は、冥王星の重心から 42,700 キロメートル離れたステュクスから 64,800 キロメートル離れたヒドラまで、カロンの 2 ～ 4 倍の距離を周回しています。これらの衛星は、カロンと同じ軌道面を ほぼ円形の順行軌道で周回しています。

いずれもカロンよりはるかに小さい。大きいニクスとヒドラの長軸の長さはそれぞれおよそ42キロメートルと55キロメートルである^[9]。ステュクスとケルベロスはそれぞれ7キロメートルと12キロメートルである^{[10] [11]。4} つとも不規則な形をしている。

冥王星系は非常にコンパクトで、大部分が空です。順行衛星は、冥王星の重力圏であるヒル半径600万kmの53%まで、逆行衛星の場合は69%まで、冥王星を安定して周回することができます。 ^[12]しかし、順行軌道が安定する領域の内側3%のみが衛星で占められており、^[13]ステュクスからヒドラまでの領域は密集しているため、この領域内に安定した軌道を持つ衛星が存在する余地はほとんどありません。^[14]ニューホライズンズ による徹底的な探索により、カロンのようなアルベド0.38（より短い距離では、この閾値はさらに小さくなります）を仮定すると、冥王星から180,000km（順行衛星の安定領域の6%）までの距離には、直径4.5kmを超える衛星は存在しないことが確認されました。^[15]

衛星の軌道は円形かつ共面軌道であり、傾斜角の差は0.4°未満、離心率は0.005未満であることが確認されている。^[16]

ニクスとヒドラの発見は、冥王星に環系がある可能性を示唆した。小天体の衝突により小衛星から破片が放出され、環系が形成される可能性がある。しかし、ハッブル宇宙望遠鏡の高性能探査カメラによる深光学探査、掩蔽研究^[17] 、そして後にニューホライズンズによるデータは、環系が存在しないことを示唆している。

ステュクス、ニクス、ヒドラは、軌道周期の比が 18:22:33 である3 体ラプラス軌道共鳴状態にあると考えられています。 ^{[18] [19]}軌道歳差運動を考慮すると、比率は正確になるはずです。ニクスとヒドラは単純な 2:3 共鳴状態にあります。 ^{[b] [18] [20]}ステュクスとニクスは 9:11 共鳴状態にあり、ステュクスとヒドラの共鳴の比率は 6:11 です。^[c]ラプラス共鳴は、朔望周期の比が、ステュクスとニクスの合 2 回ごとに、ステュクス–ヒドラ合 5 回、ニクス–ヒドラ合 3 回になることを意味します。^{[d] [18]が}平均経度、秤動角を表す場合、共鳴はと定式化できます。木星のガリレオ衛星のラプラス共鳴と同様に、三重合は発生しません。少なくとも10°の振幅で約180°振動します。^[18]${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle \Phi}$${\displaystyle \Phi =3\lambda _{\rm {ステュクス}}-5\lambda _{\rm {ニクス}}+2\lambda _{\rm {ヒドラ}}=180^{\circ }}$${\displaystyle \Phi}$

外側の周連星衛星はすべて、カロンと冥王星の軌道周期と平均運動共鳴に近い。ステュクス、ニクス、ケルベロス、ヒドラは1:3:4:5:6の共鳴に近い順序にあり、ステュクスは共鳴から約5.4%、ニクスは約2.7%、ケルベロスは約0.6%、ヒドラは約0.3%である。^[21]これらの軌道は、カロンが潮汐力によって現在の同期軌道に押し上げられたときに強制共鳴として始まり、その後カロンの軌道離心率が潮汐力によって減衰したために共鳴から解放された可能性がある。冥王星とカロンのペアは強い潮汐力を生み出し、外側の衛星の重力場はピークからピークまで15%変化する。^[要出典]

しかし、カロンとの共鳴によりニクスかヒドラのどちらかが現在の軌道に押し上げられることはあっても、両方が押し上げられることはないと計算された。ヒドラを押し上げるにはカロンの離心率がほぼゼロの0.024が必要だったが、ニクスを押し上げるには少なくとも0.05のより大きな離心率が必要だった。これは、ニクスとヒドラが捕獲された物質で、冥王星とカロンの周りで形成され、カロンとの共鳴に閉じ込められるまで内側に移動したことを示唆している。 ^[22]ケルベロスとステュクスの存在がこの考えを裏付けているかもしれない。^{[要説明] [要出典]}

ニューホライズンズ計画以前は、 ニクス、ヒドラ、スティクス、ケルベロスは混沌とした回転や回転運動 をすると予測されていた。^{[18] [23]}

しかし、ニューホライズンズの画像では、これらの衛星は、無秩序な自転や回転が予想される自転同期状態近くまで潮汐力で回転が下がっていなかったことがわかった。^{[24] [25]}ニューホライズンズの画像では、4つの衛星すべてが高傾斜角にあったことがわかった。^[24]これらの衛星はもともとそのように生まれたか、自転歳差運動の共鳴によって傾いたかのどちらかである。 ^[25] スティクスは断続的で無秩序な傾斜角の変化を経験している可能性がある。

マーク・R・ショーウォルターは、「ニクスは極全体を反転させることができる。実際に、太陽が東から昇り北に沈む一日をニクスで過ごすことも可能かもしれない。その自転の仕方は、ほとんどランダムに見える」と推測した。 ^[26] 他に自転することが知られている衛星は、土星の衛星ヒュペリオンの1つだけだが、^[27]ハウメアの衛星も同様に自転する可能性が高い。 ^[28]

冥王星の衛星系は、月を作ったと考えられているテイア衝突に似た大規模な衝突によって作られたのではないかと疑われている。^{[29] [30]}どちらの場合も、衛星の高い角運動量はそのようなシナリオでしか説明できない。小型の衛星のほぼ円形の軌道は、捕獲されたカイパーベルト天体ではなく、この衝突で形成されたことを示唆している。これとカロンとの軌道共鳴（下記参照）は、小型の衛星が現在よりも冥王星に近い場所で形成され、カロンが現在の軌道に達するにつれて外側に移動したことを示唆している。小型の衛星の灰色は、太陽系で最も赤い天体の一つである冥王星の色とは異なる。これは、衝突中またはその後の合体中に揮発性物質が失われ、衛星の表面が主に水氷になったためだと考えられている。しかし、このような衝突によってさらなる破片（より多くの衛星）が生成されるはずであったが、ニューホライズンズは衛星や環を発見しなかったため、冥王星を周回するそれ以上の大きな衛星は存在しないと考えられる。^[1]

ここでは冥王星の衛星を、短いものから長いものの順に、公転周期順に並べています。カロンは、自身の重力で球形に崩壊するほど質量が大きいため、薄紫色で強調表示されています。システムの重心は冥王星の表面よりはるかに上にあるため、冥王星の重心軌道要素も含まれています。^{[18] [31]}すべての要素は、冥王星-カロンの重心を基準にしています。^[18]冥王星とカロンの中心間の平均分離距離は 19,596 km です。^[32]

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  冥王星とその 5 つの衛星、およびシステムの重心の位置。天体のサイズと距離は縮尺どおりです。

通過は、冥王星の衛星の 1 つが冥王星と太陽の間を通過するときに発生します。これは、衛星の軌道ノード(軌道が冥王星の黄道と交差する点) の 1 つが冥王星と太陽と一直線になったときに発生します。これは、冥王星の軌道上の 2 つの点でのみ発生します。偶然にも、これらの点は冥王星の近日点と遠日点の近くにあります。掩蔽は、冥王星が冥王星の衛星の 1 つの前を通過して遮るときに発生します。

冥王星の表面から見たカロンの角直径は 4度です。太陽はずっと小さく、39 ～ 65秒角しか見えません。比較すると、地球から見た月の角直径は 31分角で、半度強しかありません。したがって、カロンは月の 8 倍の直径、または月の 25 倍の面積があるように見えます。これは、カロンが冥王星に近いためであり、大きさではなく、カロンが冥王星に近いためです。月の半径の 3 分の 1 強であるにもかかわらず、地球の月は冥王星からカロンまでの 20 倍も地球表面から遠いのです。この近さにより、冥王星の表面の大部分で日食が発生する可能性があります。冥王星は潮汐ロックにより常にカロンに対して同じ面を向けているため、カロンに面した半球でのみカロンによる日食が発生します。

小さな衛星は、他の場所に影を落とすことがあります。4 つの小さな衛星の角直径 (冥王星から見た場合) は不明です。ニクスの角直径は 3 ～ 9 分、ヒドラの角直径は 2 ～ 7 分です。これらは太陽の角直径よりもはるかに大きいため、皆既日食はこれらの衛星によって引き起こされます。

ステュクスとケルベロスによる日食は、どちらの衛星も非常に不規則で、ステュクスの角度寸法が 76.9 x 38.5 ～ 77.8 x 38.9 秒角、ケルベロスの角度寸法が 67.6 x 32.0 ～ 68.0 x 32.2 秒角であるため、予測が困難です。そのため、ステュクスには金環日食がなく、その最大軸は太陽の最大時よりも 10 秒角以上大きいです。ただし、ケルベロスはわずかに大きいものの、最大の短軸がわずか 32 秒角であるため、皆既日食は起こりません。ケルベロスとステュクスによる日食はすべて部分日食と混合日食で構成され、皆既日食は極めてまれです。

カロンによる次の相互イベントの期間は2103年10月に始まり、2110年にピークを迎え、2117年1月に終了します。この期間中、日食は冥王星の1日に1回発生し、最大90分間続きます。^{[38] [39]}

冥王星系は2015年7月にニューホライズンズ探査機によって訪問された。ニクスについては1ピクセルあたり最大330メートルの解像度の画像が、ヒドラについては1ピクセルあたり最大1.1キロメートルの解像度の画像が返送された。ステュクスとケルベロスについては低解像度の画像が返送された。^[40]

• Stern, SA; Weaver, HA; Steffl, AJ; Mutchler, MJ; Merline, WJ; Buie, MW; Young, EF; Young, LA; Spencer, JR (2005). 「冥王星の四重星系の特徴と起源」. arXiv : astro-ph/0512599 .
• Steffl, AJ; Mutchler, MJ; Weaver, HA; Stern, SA; Durda, DD; Terrell, D.; Merline, WJ; Young, LA; Young, EF; Buie, MW; Spencer, JR (2006). 「冥王星系の追加衛星に関する新たな制約」.天文学ジャーナル. 132 (2): 614–619. arXiv : astro-ph/0511837 . Bibcode :2006AJ....132..614S. doi :10.1086/505424. S2CID  10547358.
• Buie, Marc W.; Grundy, William M.; Young, Eliot F.; Young, Leslie A.; Stern, S. Alan (2006). 「冥王星の衛星カロン、S/2005 P1、S/2005 P2 の軌道と測光」。天文学ジャーナル。132 ( 1): 290–298。arXiv : astro-ph/0512491。Bibcode : 2006AJ ....132..290B。doi :10.1086 / 504422。S2CID 119386667  。
• Brozović, Marina; Showalter, Mark R.; Jacobson, Robert A.; Buie, Marc W. (2015). 「冥王星の衛星の軌道と質量」Icarus . 246 : 317–329. Bibcode :2015Icar..246..317B. doi :10.1016/j.icarus.2014.03.015.
• Codex Regius (2016)、Pluto & Charon、CreateSpace Independent Publishing Platform ISBN 978-1534960749 
• 2005 P1とP2の発見について記述したIAU回覧第8625号
• IAU回覧第8686号、2005年のP2はより中立的な色であると報告
• ニクスとヒドラの名前を発表するIAU回覧第8723号
• 冥王星の新たに発見された2つの衛星に関する背景情報 – ニクスとヒドラの発見者のウェブサイト

ウィキメディア・コモンズには、冥王星の衛星に関連するメディアがあります。

• スコット・S・シェパード：冥王星の衛星
• 冥王星系のインタラクティブな3D視覚化
• 冥王星系のアニメーション
• ハッブル宇宙望遠鏡、冥王星の周囲に新たな衛星を発見（NASA）
• 冥王星を周回する衛星がさらに 2 つ発見される (SPACE.com)
• ニューホライズンズミッションサイト