木星は太陽から5番目に位置し、太陽系最大の惑星です。太陽系の他のすべての惑星の質量を合わせた値の約2.5倍、太陽の質量の1000分の1弱のガス惑星です。直径は地球の11倍、太陽の10分の1です。木星は太陽から5.20 AU（778.5  Gm ）の距離を公転しており 、公転周期は11.86 年。地球の夜空で月と金星に次いで3番目に明るい自然天体であり、先史時代から観測されてきました。その名前は、古代ローマの宗教の主神である木星に由来しています。

木星は太陽系の惑星の中で最初に形成された惑星であり、太陽系の原始段階における木星の内側への移動は、他の惑星の形成史に大きな影響を与えました。木星の大気は、質量比で76%の水素と24%のヘリウムで構成され、内部はより高密度です。微量の炭素、酸素、硫黄、ネオンといった元素に加え、アンモニア、水蒸気、ホスフィン、硫化水素、炭化水素などの化合物も含まれています。木星のヘリウムの存在量は太陽の80%で、土星の組成と似ています。

外気は一連の緯度方向の帯に分かれており、その相互作用する境界に沿って乱気流や嵐が発生している。その最も顕著な結果は、 1831年以来記録されている巨大な嵐である大赤斑である。木星は10時間に1回転という速い自転速度のため、扁平回転楕円体である。極と比較すると、赤道周辺にはわずかだが顕著な6.5% [e]の膨らみがある。その内部構造は、流動的な金属水素の外マントルと、より密度の高い物質の拡散した内核で構成されていると考えられている。木星内部の継続的な収縮により、惑星が太陽から受け取る熱よりも多くの熱が生成されている。木星の磁場は、太陽系で最強かつ2番目に大きい連続構造であり、流動的な金属水素核内の渦電流によって生成される。太陽風は磁気圏と相互作用してそれを外側に拡張し、木星の軌道に影響を与える。

木星には少なくとも97 個の衛星が周回しており、 4 つの最大の衛星であるイオ、エウロパ、ガニメデ、カリストは磁気圏内を周回しており、一般的な双眼鏡で見ることができます。4 つの中で最大のガニメデは、水星よりも大きいです。木星は、微かな惑星の環の系に囲まれています。木星の環は主に塵で構成され、3 つの主要な部分、つまりハローとして知られる粒子の内側のトーラス、比較的明るいメイン リング、および外側の薄いリングに分かれています。リングは、可視光と近赤外線では赤みがかった色に見えます。環系の年齢は不明ですが、木星の形成当時から存在している可能性があります。1973 年以降、木星には9 機のロボット探査機が訪れています。7 回のフライバイと 2 回の専用オービター (さらに 2 回が探査中) です。木星に似た太陽系外惑星は、他の惑星系でも発見されています。

名前とシンボル

古代ギリシャ・ローマ文明の両方において、木星は神々の最高神にちなんで名付けられました。ギリシャではゼウス、ローマではジュピターです。 [20]国際天文学連合は1976年に正式に木星という名前を採用し、それ以来、新たに発見された衛星には神の恋人、寵臣、子孫にちなんで名付けられてきました。[21]木星の惑星記号は、♃は、ギリシャ語のゼータに横線⟨Ƶ⟩を引いたもので、ゼウスの略称である。[22] [23]

ラテン語では、IovisはIuppiter 、すなわち Jupiterの属格です。これはZeus（天空の父）の語源と関連しています。英語の同義語Jove は、14世紀頃にこの惑星の詩的な名前として使われるようになったことが知られています。[24]

木星の形容詞形である「Jovian」は、中世の占星術師が用いた古い形容詞形である「jovial 」が「幸せな」または「陽気な」という意味を持つようになり、占星術における木星の影響によるものとされています。[25]

ギリシャ神話の神ゼウスは語源はゼノであり、これはゼノグラフィーなど、木星に関連する単語を形成するのに使われている。[f]

形成と移動

木星は太陽系最古の惑星と考えられており、太陽誕生からわずか100万年後、地球誕生より約5000万年前に誕生しました。[26]現在の太陽系形成モデルは、木星が雪線付近、あるいはそれを超えた地点で形成されたことを示唆しています。雪線とは、初期の太陽からの距離で、水などの揮発性物質が凝縮して固体になるのに十分な温度でした。 [27]木星はまず固体の核を形成し、その後ガス状の大気を蓄積しました。したがって、木星は太陽系星雲が完全に分散する前に形成されたと考えられます。[28]木星の形成過程において、木星の質量は徐々に増加し、地球の20倍の質量に達しました。その約半分はケイ酸塩、氷、その他の重元素で構成されていました。[26]原始木星が地球の50倍の質量を超えると、太陽系星雲に隙間が生じました。[26]その後、成長を続ける木星は300万年から400万年かけて最終的な質量に達しました 。[26] [28]

「グランド・タック仮説」によれば、木星は太陽から約3.5 AU（5億 2000万 km ）の距離で形成が始まった。 若い惑星が質量を蓄積するにつれて、太陽​​を周回するガス円盤との相互作用および土星からの軌道共鳴により、木星は内側に移動した。[27] [29]これにより、太陽に近い軌道を周回するいくつかのスーパーアースの軌道が狂い、衝突して破壊的な結果となった。 [30]その後、土星は木星よりも速い速度で内側に移動し始め、2つの惑星が太陽から約1.5 AU（2億2000万km）で3:2の平均運動共鳴に捕らえられるようになった。[31]これにより移動方向が変わり、2つの惑星は太陽から遠ざかり、内部システムから現在の位置に移動した。[30]これらはすべて300万年から600万年の間に起こり、木星の最終的な移動は数十万年かけて起こりました。[29] [32]木星が太陽系内部から移動したことで、最終的に地球を含む内惑星が瓦礫から形成されました。[33] 

グランドタック仮説には未解決の問題がいくつかある。地球型惑星の形成タイムスケールは、測定された元素組成と矛盾しているように見える。[34]木星が原始太陽系星雲を通過していた場合、太陽にずっと近い軌道に落ち着いた可能性が高い。[35]太陽系形成に関するいくつかの競合モデルは、木星の軌道特性が現在の惑星に近いと予測している。[28]他のモデルでは、木星は18 AU（27億km）など、はるかに遠い距離で形成されたと予測されている。[36] [37]

ニースモデルによれば、太陽系の歴史の最初の6億年間にわたる原始カイパーベルト天体の落下により、木星と土星は最初の位置から1:2の共鳴状態に移行し、その結果土星はより高い軌道に移動し、天王星と海王星の軌道が乱され、カイパーベルトが枯渇し、後期重爆撃が引き起こされた。[38]

ジャンピング・ジュピター・シナリオによれば、木星の初期太陽系における移動は、5番目の巨大ガス惑星の放出につながった可能性がある。この仮説は、木星の軌道移動中に、その重力の影響によって他の巨大ガス惑星の軌道が乱され、ある惑星が太陽系から完全に放出された可能性を示唆している。このような出来事のダイナミクスは、太陽系の形成と構成を劇的に変え、今日人類が観測している4つの巨大ガス惑星だけが残されたであろう。[39]

研究者たちは、木星の組成に基づき、太陽から20～30 AU（30～45億km、19～28億マイル）と推定される窒素分子（N2 ）スノーラインの外側、さらには40 AU（60億km、37億マイル）も離れている可能性のあるアルゴンスノーラインの外側で初期形成されたという説を唱えている。[40] [41]木星はこれらの極端な距離のいずれかで形成された後、およそ70万年かけて、惑星の形成開始から約200万～300万年後の時代に、現在の位置まで内側に移動したと考えられる。 [36] [37]このモデルでは、土星、天王星、海王星は木星よりもさらに外側で形成され、土星も内側に移動したと考えられる。[36]

身体的特徴

木星は巨大ガス惑星であり、その化学組成は主に水素とヘリウムです。これらの物質は惑星地質学ではガスに分類されますが、これは物質の状態を表す用語ではありません。木星は太陽系最大の惑星であり、赤道での直径は142,984 km（88,846マイル）で、体積は地球の1,321倍です。[3] [42]平均密度は1.326 g/cm 3 [g]で、 4つの地球型惑星よりも低いです。[44] [45]

構成

木星の大気は、質量で約76%が水素、24%がヘリウムです。体積比で見ると、上層大気は約90%が水素、10%がヘリウムですが、ヘリウムの割合が低いのは、個々のヘリウム原子が、大気のこの部分で生成される水素分子よりも質量が大きいためです。[46]大気には、微量の炭素、酸素、硫黄、ネオン[ 47]の他、アンモニア、水蒸気、ホスフィン、硫化水素、メタン、エタン、ベンゼンなどの炭化水素も含まれています。[48]最外層には、凍結したアンモニアの結晶が含まれています。 [49]木星の内部は密度が高く、質量で約71%が水素、24%がヘリウム、5%がその他の元素で構成されています。[50] [51]

大気中の水素とヘリウムの割合は、原始太陽系星雲の理論的な構成に近い。[52]上層大気中のネオンは質量比で20ppmであり、これは太陽の約10分の1に相当する。[53]木星のヘリウムの豊富さは太陽の約80%であるが、これはこれらの元素がヘリウムを豊富に含む液滴として沈殿する過程によるもので、この過程は木星内部の深部で起こる。[54] [55]

分光法に基づくと、土星は木星と組成が似ていると考えられていますが、他の巨大惑星である天王星と海王星は、水素とヘリウムが比較的少なく、酸素、炭素、窒素、硫黄など、次に多い元素が比較的多く含まれています。 [56]これらの惑星は、形成中にこれらの元素が氷として取り込まれたと考えられているため、氷巨星として知られています。ただし、実際には氷はほとんど含まれていません。[57]

サイズと質量

キャプションを参照
地球と地球の月と比較した木星の大きさ

木星は地球の約11倍の広さです（11.209  R 🜨 ) であり、質量は地球の318倍[3]で、これは太陽系の他のすべての惑星の質量を合わせた値の2.5倍に相当します。木星は非常に大きく、太陽との重心は太陽の中心から太陽半径の1.068倍離れた 太陽表面より上にあります[58] [59]。木星の半径は太陽の半径の約10分の1です（0.102 76  R ☉）[60]であり、その質量は太陽の1000分の1である。太陽と木星の密度はほぼ同じである。[61]「木星質量」（M JまたはM Jup ）は、他の天体、特に太陽系外惑星や褐色矮星の質量を表す単位として用いられる。例えば、太陽系外惑星HD 209458 bの質量は0.69  M Jであるが、褐色矮星グリーゼ229 bの質量は60.4  M Jである。[62] [63]

木星は、内部が収縮するケルビン・ヘルムホルツ機構により、太陽放射で受け取る熱よりも多くの熱を放射します。 [64] : 30  [65]このプロセスにより、木星は1年に約1 mm（0.039インチ）縮小します。[66] [67]木星の形成当時は、より高温で、直径は現在の約2倍でした。[68] [69]

理論モデルによれば、木星の質量が40%以上増加した場合、内部は非常に圧縮されるため、物質量の増加にもかかわらず体積は減少する。質量の小さな変化では、半径は大きく変化しない。[70]その結果、木星の直径は、その構成と進化の歴史を持つ惑星が達成できる程度の大きさであると考えられる。[71]質量の増加に伴うさらなる収縮プロセスは、顕著な恒星発火が達成されるまで続く。[72]木星が水素を融合させて恒星になるには、質量が約75倍必要となるが、[73]最小の赤色矮星の半径は土星よりわずかに大きい可能性があるため、その直径は十分である。[74]

内部構造

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木星の内部、表面の特徴、環、内部の衛星を示す図

21世紀初頭まで、ほとんどの科学者は木星の形成について2つのシナリオのいずれかを提唱していた。もし木星が最初に固体として集積した場合、木星は高密度の核と、その周囲を惑星の半径の約80%まで広がる流動的な金属水素（ヘリウムを含む）の層、 [75]そして主に分子状水素からなる外層大気で構成されるだろう。[67]一方、もし木星がガス状の原始惑星系円盤から直接崩壊した場合、核は完全に存在せず、中心までどんどん密度が高くなる流体（主に分子状水素と金属水素）で構成されると予想された。ジュノー計画のデータによると、木星にはマントルに混ざる拡散した核があり、その核は惑星の半径の30～50%に広がり、地球の7～25倍の質量の重元素で構成されている。[76] [77] [78]この混合プロセスは、惑星が周囲の星雲から固体とガスを集積する過程で形成された可能性があります。[79]あるいは、木星の形成から数百万年後に、地球の10倍程度の質量を持つ惑星が衝突し、もともとコンパクトだった木星の核を破壊したことによって引き起こされた可能性もあります。[77] [80]

金属水素層の外側には、透明な水素内部大気が広がっている。この深さでは、圧力と温度は分子状水素の臨界圧力1.3 MPa、臨界温度33  K（-240.2  °C、-400.3  °F）を超えている。[81]この状態では、明確な液体相と気体相は存在せず、水素は超臨界流体状態にあると言われている。雲層から下方に広がる水素とヘリウムのガスは、深層で徐々に液体へと変化し、液体水素やその他の超臨界流体の海のような様相を呈する。[64] : 22  [82] [83]物理的には、深度が増すにつれて、ガスは徐々に高温と高密度になる。[84] [85]

ヘリウムとネオンの雨のような液滴が下層大気を通って下方に降り注ぎ、上層大気中のこれらの元素の量を減少させます。[54] [86]計算によると、ヘリウムの液滴は半径60,000 km (37,000 mi) (雲頂下11,000 km [6,800 mi]) で金属水素から分離し、50,000 km (31,000 mi) (雲下22,000 km [14,000 mi]) で再び合体します。[87]ダイヤモンドの降雨は、土星[88]や氷の巨星である天王星と海王星でも発生することが示唆されています。[89]

木星内部の温度と圧力は、惑星形成時の熱が対流によってのみ放出されるため、内側に向かって着実に増加している。[55]大気圧が約1標準地球気圧（約0.10  MPa（1  bar））の地表深度では、温度は約165 K（-108 °C、-163 °F）である。超臨界水素が分子流体から金属流体へと徐々に変化する領域は、圧力が50～400 GPa、温度がそれぞれ5,000～8,400 K（4,730～8,130 °C、8,540～14,660 °F）の範囲である。木星の希薄核の温度は20,000 K（19,700 °C、35,500 °F）、圧力が約4,000 GPaと推定されている。[90]

雰囲気

木星の大気は主に分子状水素とヘリウムで構成されており、少量の水、メタン、硫化水素、アンモニアなどの化合物も含まれています。[91]木星の大気は雲層の真下約3,000キロメートル（2,000マイル）の深さまで広がっています。[90]

雲層

ボイジャー1号が木星に接近する様子を描いた白黒アニメーション
木星の雲システムが 1 か月かけて移動する様子をタイムラプスで撮影 ( 1979 年のボイジャー 1 号のフライバイ時に撮影)

木星は恒常的にアンモニア結晶の雲に覆われており、この雲には水硫化アンモニウムも含まれている可能性がある。[92]この雲は大気圏界面に位置し、異なる緯度に帯状の雲を形成し、熱帯地域として知られている。これらは、より明るい色の帯とより暗い帯に細分される。これらの相反する循環パターンの相互作用により、嵐や乱気流が発生する。帯状ジェット気流では、風速100メートル/秒（360 km/h、220 mph）に達するのが一般的である。[93]この帯は、幅、色、強度が年ごとに変化することが観測されているが、科学者が名前を付けられるほど安定している。[59] : 6 

雲層は約50km（31マイル）の深さで、少なくとも2層のアンモニア雲層から構成されています。上層は薄く澄んだ領域、下層はより厚い領域です。木星の大気圏で観測された雷放電から、アンモニア雲の下には薄い水雲層が存在する可能性が示唆されています。 [94]これらの放電は、地球の雷の最大1000倍の強さに達することがあります。[95]水雲は、地球の雷雨と同様に、内部からの上昇熱によって雷雨を発生させると考えられています。[96]ジュノー探査機は、大気圏の比較的高い高度にあるアンモニア水雲から発生する「浅い雷」の存在を明らかにしました。[97]これらの放電は、氷で覆われた水とアンモニアの混ざった「マッシュボール」を運び、大気圏深部へと落下します。[98]木星の上層大気では、約1.4ミリ秒持続する明るい閃光である上層大気雷が観測されています。これらは「エルフ」または「スプライト」と呼ばれ、水素の影響で青またはピンク色に見えます。[99] [100]  

木星の雲のオレンジ色と茶色は、太陽からの紫外線にさらされると色を変える上昇化合物によって引き起こされます。正確な組成は不明ですが、リン、硫黄、あるいは炭化水素で構成されていると考えられています。[64] : 39  [101]これらの色鮮やかな化合物はクロモフォアと呼ばれ、下層層のより温かい雲と混ざり合います。明るい色の層は、上昇対流によってアンモニアが結晶化し、クロモフォアが視界から隠れることで形成されます。[102]

木星は軸の傾きが小さいため、極域では赤道域よりも太陽放射が常に少なくなります。木星内部の対流によってエネルギーが極域に輸送され、雲層の温度が均衡します。 [59] : 54 

大赤斑とその他の渦

大きな赤い高気圧嵐の非常に歪んだ画像
ジュノー探査機が撮影した大赤斑のクローズアップ（原色）。ジュノーの撮影方法により、合成画像には強い樽型歪みが生じています。

木星のよく知られた特徴の一つに、大赤斑[103]があります。これは、赤道から南に22度に位置する持続的な高気圧性の嵐です。この嵐は1831年に初めて観測され、 [ 104 ]、おそらく1665年には既に観測されていた可能性があります。[105] [106]ハッブル宇宙望遠鏡の画像では、大赤斑に隣接してさらに2つの「赤い斑点」が観測されています。 [107][108] この嵐は、口径12cm以上の地上望遠鏡で観測できます。 [ 109]この嵐は約6日周期で反時計回りに回転します。 [110 ]この嵐の最高高度は、周囲の雲頂から約8キロメートル（5マイル）です。[111]大赤斑の組成と赤色の起源は不明ですが、光分解したアンモニアがアセチレンと反応した可能性が考えられます。[112]

大赤斑は地球より大きい。[113] 数学モデルは、この嵐が安定しており、地球の恒久的な特徴となることを示唆している。[114]しかし、発見されて以来、その大きさは大幅に縮小している。1800年代後半の初期観測では、直径約41,000 km (25,500 mi) と示された。2015年の時点で、この嵐は約16,500 x 10,940 km (10,250 x 6,800 mi) と測定され、[115]毎年約930 km (580 mi) ずつ長さが減少傾向にあった。[113] 2021年10月、ジュノーのフライバイミッションで大赤斑の深さが測定され、約300～500 km (190～310 mi) であることが示された。[116]

ジュノー探査機は木星の極域に複数のサイクロン群を発見した。北部のサイクロン群は9つのサイクロンから構成され、中心に大きなサイクロンが1つ、その周囲に8つのサイクロンが位置している。一方、南部のサイクロン群も中心渦を持つものの、その周囲を5つの大きなサイクロンと1つの小さなサイクロンが取り囲み、合計7つのサイクロンが存在している。[117] [118]

2000年、南半球に大赤斑に似た外観を持つ、しかしより小型の大気現象が発生しました。これは、小さな白い楕円形の嵐が合体して一つの現象を形成した際に発生しました。これらの3つの小さな白い楕円形は1939年から1940年にかけて形成されました。合体した現象はオーバルBAと名付けられました。その後、この現象は強度を増し、白色から赤色へと変化したため、「小赤斑」というニックネームが付けられました。[119] [120]

2017年4月、木星の北極の熱圏に「大冷斑」が発見されました。この特徴は、直径24,000km（15,000マイル）、幅12,000km（7,500マイル）で、周囲の物質よりも200℃（360°F）低い温度です。この斑点は、短期間で形状と強度が変化しますが、15年以上にわたって大気圏でその位置を維持しています。これは大赤斑に似た巨大な渦である可能性があり、地球の熱圏の渦と同様に準安定しているように見えます。この特徴は、イオから発生した荷電粒子と木星の強力な磁場との相互作用によって形成され、熱流の再分配を引き起こしている可能性があります。[121]

磁気圏

ガリレオ衛星が木星の磁気圏に与える影響

木星の磁場は太陽系の惑星の中で最も強く、[102]自転極に対して 10.31° の角度で傾いた4.170ガウス(0.4170  mT ) の双極子モーメントを持つ。表面磁場の強さは 2 ガウス (0.20 mT) から 20 ガウス (2.0 mT) まで変化する。[122]この磁場は流体の金属水素核内の渦電流(導電性物質の渦運動)によって生成されると考えられている。木星から木星半径の約 75 倍のところでは、磁気圏と太陽風の相互作用によって弓状衝撃波が発生する。木星の磁気圏を取り囲むのは磁気圏界面であり、磁気圏と弓状衝撃波の間の領域である磁気鞘の内縁に位置する。太陽風はこれらの領域と相互作用し、木星の風下側の磁気圏を伸長させ、土星の軌道にほぼ達するまで外側に広げます。木星の4つの最大の衛星はすべて磁気圏内を周回しており、太陽風から保護されています。[64] : 69 

衛星イオの火山は多量の二酸化硫黄を放出し、その軌道に沿ってガス・トーラスを形成する。このガスは木星の磁気圏内で電離し、硫黄イオンと酸素イオンを生成する。これらは木星の大気由来の水素イオンとともに、木星の赤道面にプラズマ・シートを形成する。シート内のプラズマは木星とともに回転し、双極子磁場を磁気円盤磁場へと変形させる。プラズマ・シート内の電子は、0.6～30  MHzの範囲で短く重なり合ったバーストを伴う強力な電波シグネチャを生成する。このバーストは、地球から民生用短波ラジオ受信機で受信可能である。[123] [124]イオがこのトーラスを通過すると、相互作用によってアルヴェン波が発生し、電離物質を木星の極域に運ぶ。その結果、サイクロトロンメーザー機構によって電波が生成され、そのエネルギーは円錐状の面に沿って放射されます。地球がこの円錐と交差すると、木星からの電波放射は太陽の電波出力を超えることがあります。[125]

惑星の環

かすかな環、2 つの小さな衛星、オーロラ、大気の特徴を示す木星の画像。
赤外線で撮影された木星。かすかな環のほか、2つの衛星（アマルテアとアドラステア）、オーロラ、大気の特徴が写っている。

木星には、ハローとして知られる内側の粒子のトーラス、比較的明るいメインリング、そして外側の薄いリングという3つの主要な部分からなる、かすかな惑星リング系がある。 [126]これらのリングは塵でできているように見えるが、土星のリングは氷でできている。[64] : 65 メインリングは、木星の強い重力の影響で衛星アドラステアとメティスから噴出した物質でできている可能性が高い。新たな物質はさらなる衝突によって加えられる。 [127]同様に、衛星テーベとアマルテアも、塵に覆われた薄いリングの2つの異なる構成要素を形成していると考えられている。[127]アマルテアからの衝突破片で構成された4つ目のリングが、同じ衛星の軌道に沿って連なっているという証拠がある。[128]

軌道と回転

木星の自転と衛星の軌道運動を示す3時間のタイムラプス

木星は、太陽に対する重心が太陽の体積の7%だけ外側にある唯一の惑星である。 [129] [130]木星と太陽の平均距離は7億7800万km（5.20 AU）で、11.86年で1周する。これは土星の公転周期の約5分の2に相当し、近似軌道共鳴を形成する。[131]木星の軌道面は、地球に比べて1.30°傾いている。軌道離心率は0.049であるため、木星は遠日点よりも近日点の方が7500万km強太陽に近くなり、[3]軌道がほぼ円形になる。この低い離心率は、非常に大きな離心率を持つ木星サイズの惑星を発見してきた太陽系外惑星の発見とは矛盾している。モデルによれば、これは太陽系に2つの巨大惑星が存在するためである可能性が示唆されており、3つ目以上の巨大惑星が存在すると、より大きな離心率が生じる傾向がある。[132]

木星の軸の傾きは3.13°と比較的小さいため、地球や火星の季節に比べると木星の季節は重要ではありません。[133]

木星の自転は太陽系の惑星の中で最も速く、10時間弱で自転を完了します。これにより、アマチュア望遠鏡で簡単に見ることができる赤道の膨らみが形成されます。木星は固体ではないため、上層大気は差動回転を起こします。木星の極大気の自転は、赤道大気の自転よりも約5分長くなっています。[134]木星は扁平回転楕円体であり、赤道を通る直径が両極間の直径よりも長いことを意味します。[ 85 ]木星では、赤道直径は極直径よりも9,276 km（5,764 mi）長いです。[3]

惑星の自転、特に大気の動きをグラフ化する際に、3つの基準系が用いられます。システムIは北緯7度から南緯7度までの緯度に適用され、その周期は惑星の最短周期である9時間50分30秒です。システムIIはこれらの緯度以北と南緯に適用され、その周期は9時間55分40.6秒です。[135]システムIIIは電波天文学者によって定義され、惑星の磁気圏の自転に対応し、その周期は木星の公式の自転周期です。[136]

観察

キャプションを参照
アマチュア望遠鏡で見た木星と4つのガリレオ衛星

木星は通常、全天で4番目に明るい天体です（太陽、月、金星に次いで）[102] 。しかし、衝の時には火星が木星よりも明るく見えることがあります。地球に対する木星の位置によって、視等級は衝の時には最大-2.94等級、太陽と合の時には-1.66等級まで変化します。 [17]平均視等級は-2.20等級で、標準偏差は0.33です。[17]木星の角直径も同様に50.1秒角から30.5秒角まで変化します。[3]好ましい衝は、木星が軌道の近日点を通過し、地球に近づくときに発生します。[137]衝に近づくと、木星は約121日間逆行しているように見え、9.9°の角度で後退してから順行に戻ります。[138]

木星の軌道は地球の軌道の外側にあるため、地球から見た木星の位相角は常に11.5度未満です。そのため、地球上の望遠鏡で見ると、木星は常にほぼ完全に明るく見えます。木星の三日月形の画像が得られたのも、木星探査機のミッションの時でした。 [139]小型の望遠鏡では通常、木星の4つのガリレオ衛星と木星の大気を横切る雲帯が見えます。口径4～6インチ（10～15cm）の大型望遠鏡では、木星の大赤斑が地球を向いたときに見えます。[140] [141]

歴史

望遠鏡以前の研究

アルマゲストにおける木星（☉）の地球（🜨）に対する縦方向の運動のモデル

木星の観測は、紀元前7世紀から8世紀のバビロニアの天文学者によって証明されています。 [142]古代中国では、木星を「随星」（Suìxīng歲星）と呼んでおり、木星が 太陽の周りを一周するのにかかるおおよその年数に基づいて、地球上の12支の周期を確立しました。中国語では、年齢を指す際に今でもその名前（歲、簡体では岁）を使用しています。紀元前4世紀までには、これらの観測が中国の黄道帯に発展し、[143]各年は、夜空で木星の位置の反対側の天の領域を支配する太歳星と神と関連付けられていました。これらの信念は、一部の道教や民間宗教の慣習や、東アジアの黄道帯の十二支に残っています。中国の歴史家、習沢宗は、古代中国の天文学者甘徳[144]が木星と「同盟関係にある」小さな星について報告したと主張している[145] 。これは木星の衛星の一つを肉眼で観測した可能性を示唆している可能性がある。もしこれが事実であれば、ガリレオの発見より約2000年も前のことになる[146] [147] 。

2016年の論文によると、紀元前50年以前のバビロニア人は、黄道に沿った木星の速度を積分するために台形則を使用していた。[148] 2世紀のヘレニズム天文学者クラウディウス・プトレマイオスは、彼の著書『アルマゲスト』の中で、地球に対する木星の運動を説明するために、従円と周転円に基づく地動説の惑星モデルを構築し、木星が地球を公転する周期を4332.38日、つまり11.86年とした。[149]

地上望遠鏡による研究

ガリレオの『星空の報告』より木星とその「メディチ家の星々」の絵

1610年、イタリアの博学者ガリレオ・ガリレイは望遠鏡を用いて木星の4つの最大の衛星（現在ではガリレオ衛星として知られている）を発見した。これは地球以外の衛星の最初の望遠鏡観測と考えられている。ガリレオのわずか1日後に、シモン・マリウスが独自に木星の衛星を発見したが、彼がその発見を書籍として発表したのは1614年になってからであった。[150]しかし、主要な衛星にはマリウスが命名したイオ、エウロパ、ガニメデ、カリストがそのまま使われた。この発見はニコラウス・コペルニクスの太陽中心説を支持する大きな論拠となった。ガリレオはコペルニクス説を公然と支持したため、異端審問で裁判にかけられ、有罪判決を受けた。[151]

1639年の秋、ナポリの光学技師フランチェスコ・フォンターナは自作の22口径の望遠鏡をテストし、惑星の大気の特徴的な帯を発見した。[152]

1660年代、ジョヴァンニ・カッシーニは新しい望遠鏡を使って木星の大気中に黒点を発見し、木星が扁平に見えることを観測し、その自転周期を推定した。[153] 1692年、カッシーニは大気が差動回転を起こしていることに気づきました。[154]

大赤斑は、1664年にはロバート・フックによって、1665年にはカッシーニによって観測されていた可能性があるが、これには異論がある。薬剤師ハインリヒ・シュヴァーベは、1831年に大赤斑の詳細を示す最古の図面を作成した。[155]大赤斑は1665年から1708年の間に何度か見えなくなったと報告されているが、1878年には非常に目立つようになった。[156] 1883年と20世紀初頭には再び暗くなっていったことが記録されている。[157]

ジョヴァンニ・ボレッリとカッシーニは共に木星の衛星の運動に関する詳細な表を作成し、衛星が木星の前または後ろを通過するタイミングを予測することができました。1670年代までに、カッシーニは木星が地球から太陽の反対側にある場合、これらの現象が予想よりも約17分遅れて発生することを観測しました。オーレ・レーマーは光は瞬時に移動しないという仮説を立てました（カッシーニは当初この結論を否定していました）。[51]この時間差は光速の推定に利用されました。[158] [159]

1892年、E・E・バーナードはカリフォルニア州リック天文台の口径36インチ（910mm）の屈折望遠鏡を用いて、木星の5番目の衛星を観測しました。この衛星は後にアマルテアと命名されました。[160]これは、望遠鏡を通して肉眼で直接発見された最後の惑星の衛星でした。[161] 1979年のボイジャー1号探査機のフライバイまでに、さらに8つの衛星が発見されました。 [h]

1932年、ルパート・ヴィルトは木星のスペクトル中にアンモニアとメタンの吸収帯を発見した。 [162] 1938年には、「ホワイトオーバル」と呼ばれる3つの長寿命の高気圧性構造が観測された。これらは数十年にわたり、大気中で互いに接近しながらも合体することなく、別々の構造として存在していた。最終的に、1998年に2つのオーバルが合体し、2000年には3つ目のオーバルを吸収してオーバルBAとなった。[163]

電波望遠鏡の研究

1955年、バーナード・バークとケネス・フランクリンは、木星が22.2MHzの周波数で電波バーストを放射していることを発見しました。[64] : 36 これらのバーストの周期は木星の自転周期と一致しており、彼らはこの情報を用いて木星の自転速度のより正確な値を決定しました。木星からの電波バーストには、最大数秒間持続するロングバースト（Lバースト）と、100分の1秒未満しか持続しないショートバースト（Sバースト）の2つの形態があることが分かりました。[164]

科学者たちは、木星から送信された3種類の無線信号を発見しました。

  • デカメートル電波バースト（波長数十メートル）は木星の自転によって変化し、イオと木星の磁場の相互作用の影響を受ける。[165]
  • デシメトリック電波放射（波長はセンチメートル単位で測定される）は、 1959年にフランク・ドレイクとハイン・フヴァトゥムによって初めて観測された。[64] : 36 この信号の起源は、木星の赤道周辺のトーラス状のベルトであり、木星の磁場で加速された電子からサイクロトロン放射を生成する。 [166]
  • 熱放射は木星の大気中の熱によって生成される。[64] : 43 

探検

木星は、1973年に宇宙探査機パイオニア10号が木星に十分接近してその特性や現象に関する発見を送信して以来、自動化された宇宙船によって訪問されている。 [167] [168]木星へのミッションはエネルギーを消費して達成され、これは宇宙船の正味速度の変化、すなわちデルタvで表わされる。地球から木星へのホーマン遷移軌道に低地球軌道から進入するには6.3 km/sのデルタvが必要であり、[169]これは低地球軌道に到達するのに必要な9.7 km/sのデルタvに匹敵する。[170]惑星フライバイによる重力アシストは、木星到達に必要なエネルギーを削減するために使用できる。[171]

フライバイミッション

1973年以降、複数の宇宙船が惑星フライバイ操作を実施し、木星の観測範囲に入りました。パイオニア計画は、木星の大気といくつかの衛星の初めての拡大画像を取得しました。木星近傍の放射線場は予想よりもはるかに強いことが判明しましたが、2機の宇宙船はその環境に耐え抜きました。これらの宇宙船の軌道は、木星系の質量推定値の精度向上に役立てられました。また、木星による電波掩蔽により、木星の直径と極の平坦化量の測定精度が向上しました。[59] : 47  [173]

6年後、ボイジャー計画はガリレオ衛星に関する理解を大きく前進させ、木星の環を発見しました。また、大赤斑が高気圧性であることも確認されました。画像の比較により、大赤斑の色合いはパイオニア計画以降、オレンジ色から暗褐色へと変化していることが分かりました。イオの軌道沿いにはイオン化された原子のトーラスが発見され、これは月面の火山噴火から来ていることが判明しました。探査機が惑星の背後を通過した際、夜側の大気で稲妻の閃光を観測しました。[59] : 87  [174]

木星に接近した次のミッションは、太陽探査機ユリシーズでした。1992年2月、ユリシーズは太陽の極軌道に到達するためにフライバイ操作を行いました。この通過中、探査機は木星の磁気圏を調査しましたが、木星を撮影するためのカメラは搭載していませんでした。探査機は6年後、今度ははるかに遠い距離で木星を通過しました。[172]

2000年、カッシーニ探査機は土星に向かう途中で木星を通過し、より高解像度の画像を提供した。[175]

ニューホライズンズ探査機は2007年に冥王星に向かう途中で重力アシストのために木星を通過した。[176]探査機のカメラはイオの火山からのプラズマ出力を測定し、ガリレオ衛星4つすべてを詳細に調査した。[177]

ガリレオミッション
ロケットとの結合準備中のガリレオ、1989年

木星を周回した最初の宇宙船はガリレオ計画で、1995年12月7日に木星に到達しました。[71]ガリレオ計画は7年以上にわたって木星を周回し続け、ガリレオ衛星群とアマルテアを複数回フライバイしました。また、1994年に木星に衝突したシューメーカー・レビー第9彗星の衝突も目撃しました。ガリレオ計画の目標の一部は、高利得アンテナの故障により達成されませんでした。 [178]

1995年7月、 340キログラムのチタン製大気探査機が木星の大気圏に突入し、同年12月7日に大気圏に突入した。[71]探査機は150キロメートル（93マイル）の大気圏を時速約2,575キロメートル（1,600マイル）の速度でパラシュートで飛行し、 [71]探査機が破壊されるまで57.6分間データを収集した。[179]ガリレオ探査機自体も、2003年9月21日に意図的に木星に突入させられた際に、同様の運命をより急速に辿った。NASAは、生命が存在する可能性のあるエウロパの衛星に探査機が衝突して汚染する可能性を回避するために、探査機を破壊した。[178]

このミッションのデータから、木星の大気の最大90%が水素で構成されていることが明らかになった。[71]記録された温度は300℃（572℉）以上、探査機が蒸発する前の風速は644km/h（>400mph）以上であった。[71]

ジュノミッション
キャプションを参照
回転スタンドでのテストの準備をするジュノ、2011年

NASAのジュノー探査機は、2016年7月4日に木星に到着し、極軌道から木星を詳細に調査することを目標としていました。当初、この探査機は20ヶ月かけて木星を37周回する予定でした。[78] [180] [181]ミッション中、探査機は木星の磁気圏からの高レベルの放射線にさらされ、特定の機器の故障につながる可能性があります。[182] 2016年8月27日、探査機は木星への初のフライバイ飛行を完了し、木星の北極の画像を初めて送信しました。[183]

ジュノーは予算ミッション計画の終了となる2018年7月までに12回の周回を完了した。[184]同年6月、NASAはミッション運用計画を2021年7月まで延長し、同年1月にはミッションを2025年9月まで延長し、ガニメデ、エウロパ、イオの計4回のフライバイを行う。[185] [186]ジュノーがミッション終了時には、木星の衛星との衝突や汚染のリスクを回避するため、制御された軌道離脱を行い、木星の大気圏に分解する。[187]

中止されたミッションと今後の計画

木星のより大きな氷の衛星を調査するミッションには関心がある。これらの衛星には地下に液体の海があるかもしれない。[188]資金調達の難しさから進捗が遅れ、NASAのJIMO（木星氷衛星オービター）は2005年に中止された。[189]その後、EJSM/Laplaceと呼ばれるNASAとESAの共同ミッションの提案がなされ、暫定的な打ち上げ日は2020年頃とされた。EJSM/LaplaceはNASA主導の木星エウロパ・オービターとESA主導の木星ガニメデ・オービターで構成されることになっていた。[190]しかし、ESAはNASAの予算問題とミッションのスケジュールへの影響を理由に、2011年4月に正式にパートナーシップを終了した。代わりにESAは、L1コズミック・ビジョン選抜に参戦するため、ヨーロッパのみのミッションを進める計画であった。[191]これらの計画は、2023年4月14日に打ち上げられた欧州宇宙機関の木星氷衛星探査機（JUICE）として実現され、[192]続いて2024年10月14日に打ち上げられたNASAのエウロパクリッパーミッションとして実現しました。[193]

他に提案されているミッションには、中国国家航天局の天問4号ミッションがあり、これは2035年頃に木星系およびおそらくカリストへの周回衛星の打ち上げを目指している。[194]また、CNSAの星間エクスプレス[195]とNASAの星間探査機[196]は、どちらも木星の重力を利用して太陽圏の端に到達することを目指している。

衛星

木星には97個の既知の天然衛星があり[8]、望遠鏡による観測の増加によりこの数は増加する可能性がある。[197]これらのうち、直径10kmを超えるものは16個しかない。[198]ガリレオ衛星として知られる4つの最大の衛星は、ガニメデ、カリスト、イオ、エウロパ（サイズの大きい順）で、晴れた夜には双眼鏡で地球から見ることができる。[199]

ガリレオ衛星

ガリレオが発見した衛星、イオ、エウロパ、ガニメデ、カリストは、太陽系でも最大級の衛星群です。イオ、エウロパ、ガニメデの軌道は、ラプラス共鳴と呼ばれるパターンを形成しています。イオが木星を4周するごとに、エウロパはちょうど2周、ガニメデはちょうど1周します。この共鳴により、3つの大きな衛星の重力作用によって、軌道は楕円形に歪んでいきます。これは、各衛星が周回するたびに、同じ地点で隣接する衛星から余分な引力を受けるためです。一方、木星からの潮汐力は、これらの衛星の軌道を円形にしようと働きます。[200]

軌道の離心率により、3つの衛星の形状は規則的に歪曲する。木星の重力によって、衛星は木星に近づくにつれて引き伸ばされ、離れるにつれて球形に近い形状に戻る。この潮汐力による歪曲によって生じる摩擦が、衛星内部に熱を発生させる。 [201]この現象は、最も強い潮汐力を受けるイオの火山活動に最も顕著に表れており、 [201]また、エウロパの表面が地質学的に若いことからも、比較的軽度に見られる。これは、衛星の外部が最近になって再形成したことを示唆している。[202]

分類

木星の衛星は、その軌道要素の類似性に基づいて、4つのグループに分類されていました。[203]この図は、1999年以降、多数の小さな外側の衛星が発見されたことで複雑になっています。木星の衛星はいくつかの異なるグループに分かれていますが、どのグループにも属さない衛星が2つ知られています（テミストとヴァレトゥド）。[204]

最も内側の8つの規則衛星は、木星の赤道面付近をほぼ円軌道で公転しており、木星の周囲で形成されたと考えられています。一方、残りの8つの不規則衛星は、捕獲された小惑星、あるいは捕獲された小惑星の破片であると考えられています。各グループ内の不規則衛星は、共通の起源を持つ可能性があり、おそらくより大きな衛星、あるいは捕獲された天体が分裂したと考えられます。[205] [206]

太陽系との相互作用

8つの惑星の中で最も質量が大きい木星の重力の影響は、太陽系の形成に大きく寄与してきました。水星を除いて、太陽系の惑星の軌道は太陽の赤道面よりも木星の軌道面に近い位置にあります。小惑星帯のカークウッドの空隙は主に木星によって引き起こされており[211]、木星は太陽系内部の歴史における後期重爆撃期の原因となった可能性があります[212]。

木星の重力場は、衛星に加えて、太陽の周りを公転する惑星の前後に位置するラグランジュ点の周囲に散らばる多数の小惑星を支配しています。これらはトロヤ小惑星として知られ、ギリシャ神話の『イリアス』にちなんで、ギリシャ陣営とトロヤ陣営に分けられています。最初の小惑星である588アキレスは、1906年にマックス・ウルフによって発見されました。それ以来、2000個以上が発見されています。[213]最大のものは624ヘクトルです。[214]

木星族は、木星よりも短い軌道長半径を持つ彗星と定義され、短周期彗星のほとんどがこのグループに属します。木星族の彗星は、海王星の軌道外側のカイパーベルトで形成されると考えられています。木星に接近する際に、より短い周期の軌道に摂動を受け、その後、太陽と木星との定期的な重力相互作用によって円軌道になります。[215]

影響

シューメーカー・レヴィ第9彗星が木星に衝突した地点を示す茶色の斑点

木星は、その巨大な重力井戸と太陽系内部に近い位置から、太陽系の掃除機と呼ばれています。彗星など、木星への衝突は、太陽系の他のどの惑星よりも多くなっています。[217]たとえば、木星は地球よりも約 200 倍多くの小惑星や彗星の衝突を経験しています。 [71]科学者はかつて、木星が彗星の衝突から内部太陽系を部分的に保護していると信じていました。[71]しかし、2008 年のコンピューターシミュレーションでは、木星の重力が彗星の軌道を内側に摂動させる頻度と、彗星が降着したり放出されたりする頻度がほぼ同じであるため、内部太陽系を通過する彗星の数の純減を引き起こしていないことが示されています。[218]このトピックは科学者の間でも議論の余地があり、カイパーベルトから彗星を地球に引き寄せていると考える人もいますが、木星がオールトの雲から地球を守っていると考える人もいます。[219]

1994年7月、シューメーカー・レヴィ第9彗星が木星に衝突した。[220] [221]この衝突は、ハッブル宇宙望遠鏡やガリレオ宇宙船など、世界中の観測所によって詳細に観測された。[222] [223] [224]この出来事はメディアで広く報道された。[225]

初期の天文学的記録と図面の調査により、1664年から1839年の間に、衝突の可能性がある観測例が8例発見されました。しかし、1997年のレビューでは、これらの観測は衝突によるものである可能性はほとんどないか、全くないと結論付けられました。このチームによる更なる調査により、天文学者ジョヴァンニ・カッシーニが1690年に発見した暗い表面の特徴が、衝突痕跡であった可能性があることが明らかになりました。[226]

文化の中で

雲の中に雷と笏を持ち、鷲を従えたユピテル・ゼウス。ヘルクラネウムのフレスコ画、西暦1～37年
木星、グイド・ボナッティの『Liber Astronomiae』 1550 年版の木版画

木星の存在は古代から知られていました。夜空では肉眼で確認でき、日中でも太陽が低い位置にあるときには見ることができます。[227]バビロニア人にとって、この惑星はハンムラビ朝時代の神々の長であるマルドゥク[ 228]を象徴していました。[229]彼らは、黄道に沿って約12年周期で一周する木星の軌道を、黄道帯の星座を定義するために用いました。[228]

この惑星のギリシャ神話における名前はゼウス（Ζεύς）であり、ディアス（Δίας）とも呼ばれ、現代ギリシャ語でもその惑星名はそのまま残っています。[230]古代ギリシャ人はこの惑星を「輝く者」または「燃える星」を意味するファエトン（Φαέθων ）と呼んでいました。 [231] [232]ホメロス時代のゼウスに関するギリシャ神話は、セム族のエルとバアル、シュメールのエンリル、バビロニアの神マルドゥクなど、近東の神々との類似点が特に顕著でした。[233]この惑星とギリシャの神ゼウスとの関連は近東の影響から生まれたもので、紀元前4世紀にはプラトンと同時代の人々の『エピノミス』に記録されているように完全に確立されていました。[234]

ユピテル神はローマ神話におけるゼウスの相反神であり、主神である。ローマ人は元々、ユピテルを「ユピテルの星」（ユピテル・ステラ）と呼んでいた。これは、ユピテルがその名を冠した神に神聖なものと信じていたためである。この名称は、印欧祖語の呼格複合語*​​ Dyēu-pəter（主格：* Dyēus -pətēr、「父なる天空神」または「父なる昼神」を意味する）に由来する。[235]ローマ神話の最高神であるユピテルは、雷、稲妻、嵐の神であり、光と空の神と呼ばれていた。[236]

ヴェーダ占星術では、ヒンドゥー教の占星術師は、神々の宗教的教師であるブリハスパティにちなんでこの惑星を「グル」（教師の意味）と呼んだ。[237] [238]中央アジアのトルコ神話では、木星はエレン（意味不明）とユルトゥズ（星）に由来するエレンディズまたはエレントゥズと呼ばれている。トルコ人は木星の公転周期を11年300日と計算した。彼らは、いくつかの社会的および自然的出来事が天空のエレントゥズの動きに関連していると信じていた。[239]中国人、ベトナム人、韓国人、日本人は、中国の五行に基づいて、これを「木の星」（中国語：木星、ピンイン：mùxīng ）と呼んだ。[240] [241] [242]中国では「年星」（中国語：歲星）として知られるようになった。拼音：suìxīng（スイシン）は、中国の天文学者が毎年1星座ずつ移動すると記していたことに由来する。古代中国の文献の中には、年は原則として木星の十二支に相関して命名されていたものもある。[143]

参照

注記

  1. ^ 光フィルターは658 nm、502 nm、395 nmで、[1]それぞれ赤、緑、青にほぼ相当する。
  2. ^ 木星の大気と外観は常に変化しているため、現在の外観はこの画像が撮影された当時とは異なっている可能性があります。しかし、この画像には、画像の右下に大きく写っている有名な大赤斑や、木星の特徴的な縞模様など、一貫している特徴もいくつか描かれています。
  3. ^ abcdef 1気圧のレベルを指します
  4. ^ 1気圧以下の容積に基づく
  5. ^ 100 x (赤道半径 - 極半径)/(赤道半径) = 100 x (71492-66854)/71492 = 6.487%。
  6. ^ 例えば、「IAUC 2844: Jupiter; 1975h」を参照。国際天文学連合。1975年10月1日。 2010年10月24日閲覧。この単語は少なくとも1966年から使われています。参照：「天文学データベースからのクエリ結果」。スミソニアン/NASA。2007年7月29日閲覧。
  7. ^ 砂糖シロップ（シロップUSP）とほぼ同じ、 [43]
  8. ^ 詳細と出典については木星の衛星を参照

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