土星リングの力學 (I. wake 構造)

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が撮影した寫真から、土星の輪は非常に複雑な構造をしていることが分かります。 こうした土星の輪の構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、全てを一度に計算することは出來ません。 この計算は、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算したものです。

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

氷の粒の運動と一緒に、土星の周りを周回してみましょう。 輪の內(nèi)側は、速く運動しているのでカメラはどんどん追い越されてゆきます。 一方輪の外側は、遅く運動しているので、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)側の車線の方がスムーズに車が進んでいるときのような狀態(tài)です。

こうした運動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算したのがこの計算です。

非常に複雑な構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)日分の運動の結果を2分ほどに縮めてみたもので、 実際には塊同士の相対運動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造は、カッシーニなどの惑星探査 機でも直接見ることはできませんが、掩蔽観測などの手段で間接的に観測されています。 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。 この計算ではまだ探査機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)値計算の詳細 基本となるモデル周期境界＋Shearing Box 計算目的土星リング內(nèi)の力學
計算モデル計算手法：重力多體シミュレーション + 粉體計算 計算に使用した粒子數(shù)：7×104個 使用した計算機GRAPE-6 現(xiàn)象の時間スケール數(shù)日 現(xiàn)象の空間スケール數(shù)十～數(shù)百m 數(shù)値計算を行った人臺坂博（一橋大學） 參考 ReferenceH. Daisaka, H. Tanaka, and S. Ida, Icarus 154, 196, (2001) 映像化の詳細

この計算は、計算領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 比較的狹い計算領域でも広い領域の出來事が計算できるようにしてあるものです（周期境界條件）。 出來るだけ広い領域を見渡せるように計算結果をコピーして、広い領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：臺坂博

可視化：武田隆顕

國立天文臺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：國立天文臺天文情報センター リリース情報

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：32346

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