環状星系

天王星の環は、土星以外の惑星の周囲で初めて発見されたものである。 ボイジャー2号に遭遇する9年前の1977年、アメリカの天文学者ジェームス・L・エリオットらは、天王星が恒星と地球の間を通り、一時的に恒星の光をさえぎる掩蔽現象が起きたときに、地球からこの環系を発見した。 その時、天王星の大気圏上空で、惑星が恒星を掩蔽する前後に5回ほど恒星が一瞬暗くなるのが観測された。 これは、天王星が5つの細い輪に囲まれていることを示している。 その後、地球からの観測により、さらに4つの環が発見された。 ボイジャー2号は10番目の環を検出し、他の環の兆候も発見した。 天王星から外側に向かって、6、5、4、アルファ、ベータ、イータ、ガンマ、デルタ、ラムダ、イプシロンと命名された。 このような煩雑な命名法は、当初の命名法に合わない場所で新しい環が発見されたために生じたものである。 リングの特徴は表の通りです。

リングは細く、かなり不透明である。 観測された幅は、個々の減光現象の始まりと終わりの間の半径方向の距離を単純に表したものである。 等価幅は、半径方向の距離と星明かりの遮断率の積（正確には積分）である。 等価幅が観測された幅よりも小さいということは、環が完全に不透明でないことを示しています。 ボイジャー画像で観測されたリングの明るさと掩蔽による等価幅を合わせると、リングの粒子が反射する太陽光は5％以下であることがわかる。 反射スペクトルがほぼ平坦であることから、粒子の色は基本的に灰色であることがわかる。 地球上では、ほとんどが炭素でできている普通の煤が最もよく知られています。 ボイジャーがリングを通過して地球に送った電波信号の散乱効果から、リングはほとんどが大きな粒子、つまり140cmを超える物体で構成されていることが判明したのである。 ボイジャーが環の向こう側にいて、カメラを太陽の方向に向けたときの太陽光の散乱からも、マイクロメートルサイズの小さな塵が発見された。 主環には、ほんのわずかな塵しか見つからなかった。 このことは、リングが衝突によって質量を失っていることを示唆しています。 天王星の軌道にある塵の寿命は、天王星の大気が及ぼす抵抗と太陽光の放射圧によって制限され、塵は低い軌道に追いやられ、最終的には天王星の大気中に落下する。 軌道の寿命は1,000年と非常に短いので、塵は急速に、かつ継続的に生成されているはずです。 天王星の大気の抵抗は非常に大きいので、現在の環の寿命は短いかもしれません。 もしそうなら、環は天王星とともに形成されたものではなく、その起源や歴史は不明です。

密集した環の粒子同士の衝突によって、環の半径方向の幅は当然大きくなります。 環よりも質量の大きい月は、シェパード（shepherding）と呼ばれるプロセスでこの広がりを止めることができる。 ある環の軌道の内側または外側にある軌道は、そのような軌道にある月が環粒子と安定した動的共振を起こすのに適切な半径である。 共鳴の条件は、月とリング粒子の公転周期が小さな整数の比で互いに関連していることである。 このような関係では、月とリング粒子が定期的にすれ違うとき、その規則性を維持しようとする重力的な相互作用が働く。 月はリングに正味のトルクを与え、月とリングは角運動量を交換し、リング粒子同士の衝突でエネルギーを散逸させる。 その結果、月とリングの粒子は互いに反発し合う。 このとき、外側の軌道にある天体は外側に、内側の軌道にある天体は内側に移動する。 月はリングよりはるかに質量が大きいので、リングが共鳴を起こす半径の向こう側に広がるのを防ぐことができる。

ボイジャー2号は、イプシロン環の最も内側にあるコーデリアとオフィーリアという2つの月が、羊飼いに必要なちょうど良い半径で環の両側に回っていることを発見した。 他の環のシェパードは観測されなかったが、これはおそらく月が小さすぎてボイジャーの画像に映らないためだろう。

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