2005年以来、科学者たちは土星の凍った衛星エンケラドゥスの南部に見られる一連の長い亀裂に頭を悩ませてきました。新たな研究により、いわゆる「トラ縞」と呼ばれるこの模様がどのように形成されたのか、そしてなぜ太陽系の中でエンケラドゥスがこれらの特徴が現れた唯一の場所なのかが解明されました。
NASAの探査機カッシーニは2005年にこの縞模様を発見しました。表面の亀裂から噴き出す水柱のようなものが映し出され、その整然とした外観から「タイガーストライプ」と名付けられました。この縞模様は、エンケラドゥスの氷の地殻の下に海が存在する証拠とみなされ、土星の衛星エンケラドゥスは地質学的な観点だけでなく、宇宙生物学的な観点からも、瞬く間に重要な研究対象となりました。
本日Nature Astronomy誌に掲載された新たな研究は、これらの縞模様が南極にのみ見られる理由、そして亀裂が約35キロメートル間隔で平行に走っている理由を初めて説明したものです。重要な点として、この論文は、木星の衛星エウロパなど、太陽系の他の氷天体では同様の特徴が観測されていない理由も説明しています。
「トラ縞模様を理解することは重要です。なぜなら、これらは太陽系の氷海惑星の中でも、最も活発で劇的な海から地表への経路であるためです」と、ワシントンD.C.のカーネギー研究所で博士研究員を務める惑星科学者ダグラス・ヘミングウェイ氏は、ギズモードへのメールで説明した。「同僚たちは以前から最初の亀裂をどのように作るかについて考えていましたが、なぜ複数の亀裂があり、それらがほぼ平行になっているのかを解明したかったのです。」
亀裂は4本の平行線として現れ、長さは約130キロメートル（80マイル）です。常に噴火活動を続けており、地下の海から液体の水を噴き出しています。
研究者たちはコンピュータモデルを用い、線形弾性理論の概念を応用することで、氷殻が表面の圧力の漸進的な増加にどのように反応するかをシミュレートすることに成功した。研究チームには、カリフォルニア大学デービス校のマックスウェル・ルドルフ氏とカーネギー研究所のマイケル・マンガ氏も参加している。
このプロセスにおいて極めて重要な要素は、エンケラドゥスの極めて偏心した軌道にあります。この軌道は、衛星を土星から遠く離れた場所へ移動させ、そして再び土星へ戻します。この無限のループによって生じる潮汐力によって熱が発生し、衛星が変形します。そのため、エンケラドゥスは氷の地殻の下に液体の水を保持することができます。
これらの変形は、氷が最も薄い極地で最も強く感じられます。月の歴史のある時点で、月が冷却期に入っていた際に、氷冠の下で水が凍りました。水は凍ると膨張するため、地殻に非常に大きな圧力がかかり、南極に巨大な亀裂が生じました。
新たな研究によると、最初の亀裂が北極ではなく南極（「バグダッド」と呼ばれるトラの縞模様）に現れたのは単なる偶然だったという。最初の亀裂はどちらの極でも発生した可能性があるが、表面が一度裂けると、もう一方の極に亀裂が生じることは不可能だった。「これにより引張応力が緩和され、反対極での同様の破損を防ぐことができる」と著者らは論文の中で述べている。
重要なのは、バグダッドの亀裂は土星の重力によって開いたままだったため、地下の水が地表に流れ出ていたことです。この水はすべて氷や雪となって地表に降り注ぎ、亀裂の縁に沿って物質が着実に蓄積していきました。最終的に何かが崩れ、バグダッドの亀裂から35キロメートル離れた場所で見られる亀裂が生まれました。氷の厚さは約5.2キロメートル（3.2マイル）でした。
「氷殻が一定の弾性特性を持つ場合、最大の曲げ応力は既存の亀裂から35キロメートル離れた場所で発生することが分かりました」とヘミングウェイ氏は述べた。
二つの新たな亀裂が開き、水を噴き出すと、その場所で新たなプロセスが始まりました。研究によると、「一連の亀裂は、荷重が弱くなりすぎるか、背景の殻の厚さが厚すぎて貫通する亀裂ができなくなるまで、外側に向かって連鎖的に広がります」。この場合、このプロセスによって合計2つの二次亀裂と1つの三次亀裂が生じ、ダマスカス、カイロ、アレクサンドリア（これらの名前はアラビアンナイトから借用）と名付けられました。
モデルによれば、トラの縞模様は、直径約500キロメートル（310マイル）のエンケラドゥスと同程度の質量を持つ衛星でしか発生しない。ヘミングウェイ氏はこの結論を、この研究における最も興味深い結果の一つと評した。
「より大きな衛星の場合、重力が非常に強いため、曲げ応力を圧倒してしまい、このような亀裂では氷殻を完全に突き破ることはできないでしょう」と彼はギズモードに語った。「このメカニズムは、重力が非常に弱い場合にのみ機能します。エンケラドゥスの場合がまさにそうです。これは当初私たちが説明しようとしていたことではありませんでしたが、トラの縞模様に関する最も重要な疑問の一つと言えるでしょう。」
次のステップとして、ヘミングウェイ氏は、より高解像度のデータを用いてトラの縞模様をシミュレートし、モデルを検証することが有益だと述べた。今回の研究では「いくつかの単純化と近似値を用いて」おり、地表は「静的かつ弾性的」に見え、現実ほど動的ではないからだ。また、この研究で予測されている点の一つは、二次縞模様はバグダッドの主要な亀裂よりも約10万年、あるいは100万年若いという点である。
「そのアイデアをテストする方法を見つけるのは興味深いだろう」とヘミングウェイ氏は語った。
