土星リングの力學(xué) (I. wake 構(gòu)造)

土星の輪の正體は何でしょうか？ 數(shù)十cmから數(shù)m程度の小さな氷の塊が、非常に數(shù)多く土星の周りを周回して、それが全體として輪のように見えるということが分かっています。 ボイジャーやカッシーニといった惑星探査機(jī)が撮影した寫真から、土星の輪は非常に複雑な構(gòu)造をしていることが分かります。 こうした土星の輪の構(gòu)造を作り出すようなメカニズムとは何なのでしょう。 そうした謎を解くためのコンピューターシミュレーションの一つを紹介します。

土星の輪は、非常に數(shù)多くの氷の粒から出來ているために、全てを一度に計(jì)算することは出來ません。 この計(jì)算は、沢山の氷の塊が土星の周りを回っているときに、何が起こるのかを知るために土星の輪のごく一部だけを切り取って計(jì)算したものです。

最初に、どのような計(jì)算をしたのか簡(jiǎn)単な解説の映像を見てみます。 內(nèi)側(cè)の衛(wèi)星ほど速く土星の周りを回っているのが分かります。 輪を構(gòu)成する氷の粒も同様の運(yùn)動(dòng)をしています。 そうした氷の粒の動(dòng)きを赤い矢印で表してみます。

氷の粒の運(yùn)動(dòng)と一緒に、土星の周りを周回してみましょう。 輪の內(nèi)側(cè)は、速く運(yùn)動(dòng)しているのでカメラはどんどん追い越されてゆきます。 一方輪の外側(cè)は、遅く運(yùn)動(dòng)しているので、カメラがどんどん追い越してゆきます。 ちょうど、高速道路で內(nèi)側(cè)の車線の方がスムーズに車が進(jìn)んでいるときのような狀態(tài)です。

こうした運(yùn)動(dòng)をしている土星の輪の中で、輪と一緒に土星を回りながら、土星の輪のごく一部、數(shù)百メートル四方の部分を計(jì)算したのがこの計(jì)算です。

非常に複雑な構(gòu)造が見えてきました。 これは、數(shù)多くの氷の粒が集団で形作っている模様でwake( = 水面にできる波紋、航跡）構(gòu)造と呼ばれます。

こうした模様は、氷の塊たちが、自ら重力で集まろうとする効果と、 土星の周囲を回る回転の速度が違うために、引き伸ばされようとする効果で生じています。

氷の塊同士は、非常に激しくぶつかり合っているように見えますが、この映像は全部で數(shù)日分の運(yùn)動(dòng)の結(jié)果を2分ほどに縮めてみたもので、 実際には塊同士の相対運(yùn)動(dòng)は非常にゆっくりとしたものです。

こうした小さいスケールの構(gòu)造は、カッシーニなどの惑星探査 機(jī)でも直接見ることはできませんが、掩蔽観測(cè)などの手段で間接的に観測(cè)されています。 土星リングの最も濃い部分では、恐らくこうした構(gòu)造ができているのではないかと考えられています。

土星リングに見える縞模様は、ここで計(jì)算したものよりもう少し大きいスケールの現(xiàn)象です。 この計(jì)算ではまだ探査機(jī)の寫真に寫っているような縞模様は見えていません。 近年のより大規(guī)模な計(jì)算により、そうした縞模様の成り立ちも徐々に明らかになりつつあります。 解説ナレーション付映像（ストリーミング配信）

ストリーミング

映像本體部分ダウンロード

640x480, Windows Media Video 形式

SaturnRingWake64x48Full.zip ( zip 書庫 : 78.6 MB)

シミュレーション部本體のみ

SaturnRingWake64x48Short.zip ( zip 書庫 : 70.8 MB)

320x240, mpeg 形式

SaturnRingWake32x24Full.zip ( zip 書庫 : 43.7 MB)

シミュレーション部本體のみ

SaturnRingWake32x24Short.zip ( zip 書庫 : 32.8 MB)

數(shù)値計(jì)算の詳細(xì) 基本となるモデル周期境界＋Shearing Box 計(jì)算目的土星リング內(nèi)の力學(xué)
計(jì)算モデル計(jì)算手法：重力多體シミュレーション + 粉體計(jì)算 計(jì)算に使用した粒子數(shù)：7×104個(gè) 使用した計(jì)算機(jī)GRAPE-6 現(xiàn)象の時(shí)間スケール數(shù)日 現(xiàn)象の空間スケール數(shù)十～數(shù)百m 數(shù)値計(jì)算を行った人臺(tái)坂博（一橋大學(xué)） 參考 ReferenceH. Daisaka, H. Tanaka, and S. Ida, Icarus 154, 196, (2001) 映像化の詳細(xì)

この計(jì)算は、計(jì)算領(lǐng)域の端が壁になっているのではなく、左の端が右端につながっているようにくり返しになっているものとして 比較的狹い計(jì)算領(lǐng)域でも広い領(lǐng)域の出來事が計(jì)算できるようにしてあるものです（周期境界條件）。 出來るだけ広い領(lǐng)域を見渡せるように計(jì)算結(jié)果をコピーして、広い領(lǐng)域の表示をして映像にしています。

映像クレジット

シミュレーション：臺(tái)坂博

可視化：武田隆顕

國(guó)立天文臺(tái)４次元デジタル宇宙プロジェクト 解説ナレーションクレジット

作曲：宮木朝子

ナレーション：淺倉(cāng)杏美

レコーディング：前島慶太(Space Creators Alliance Inc.)

シナリオ：巖下由美

寫真：國(guó)立天文臺(tái)天文情報(bào)センター リリース情報(bào)

2010.1 ミススペル修正(Pandra->Pandora)

2009.10 ナレーション付き映像ストリーミング開始

2008.2 バージョン1.0 公開

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本文編號(hào)：32346

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