土星の環
土星の環(どせいのわ)は、太陽系で最も顕著な惑星の環である。マイクロメートル (μm) 単位からメートル (m) 単位の無数の小さな粒子が集団になり、土星の周りを回っている。環の粒子はそのほぼ全てが「水の氷」で、わずかに塵やその他の物質が混入している。
環からの反射光によって土星の視等級が増すが、地球から裸眼で土星の環を見ることはできない。ガリレオ・ガリレイが最初に望遠鏡を空に向けた翌年の1610年、彼は人類で初めて土星の環を観測したが、ガリレオはそれが何であるかはっきり認識することはなかった。1655年、クリスティアーン・ホイヘンスは初めて、それが土星の周りのディスクであると記述した。ピエール=シモン・ラプラス以降、多くの人が、土星の環は多数の小さな環の集合であると考えているが、実際には、環と環の間に何もない空隙の数は少ない。実際には、密度や明るさに部分的に極大部や極小部のある同心円の環帯であると考える方が正確である。
土星の環には、粒子の密度が急激に落ちる空隙がある。そのうち2つでは、既知の衛星が運行しており、また他の空隙の多くは土星の衛星と不安定共鳴を起こす場所にある。残りの空隙は、その生成過程が不明である。一方、タイタン環やG環等は、安定共鳴状態によってその安定性が維持されている。
メインリングの外側にはフェーベ環がある。これは、他のリングから27度 (°)傾き、フェーベのように逆行している。
最近の研究では、土星の環は土星に衝突する前に氷の殻を引き裂かれた衛星の残骸であるとする説がある。
環の存在は、1970年にスティーヴン・ソーターが提唱し、バージニア大学のAnne J. VerbiscerとMichael F. Skrutskieとメリーランド大学カレッジパーク校のDouglas P. Hamiltonが発見した。Verbiscer、SkrutskieとHamiltonは、コーネル大学の同級生であった。
環の物質は、ポインティング・ロバートソン効果により減速して内側に向かって移動し、イアペトゥスの進行方向側の半球に衝突する。物質の降下により、イアペトゥスの進行方向側の半球は、暗く赤くなる(天王星のオベロンとチタニアで見られる現象と似ている)が、イアペトゥスの二面性の直接の原因となるほどではない。降下した物質は、暑い領域で氷が昇華し、寒い領域で蒸気が凝縮するという熱の偏りに対する正のフィードバックとして働く。これにより、「ラグ」と呼ばれる暗い残渣が進行方向側の半球の赤道付近の領域の大部分を覆い、極地方や進行方向と反対側の半球を覆う明るい氷とのコントラストになる。
エンケの間隙は、A環の中にある幅約325 kmの広い間隙であり、土星の中心から133,590 kmの距離にある。内側を公転するパンの影響によって形成されている。カッシーニによる画像は、間隙の中に少なくとも3本のこぶの多いリングレットが存在することを示した。
ヨハン・エンケ自身はこの間隙を観測しなかったが、土星の環の観測に対する彼の貢献を称えて名付けられた。この間隙は、1888年にジェームズ・キーラーによって発見された。ボイジャーによって発見されたA環の中の2つめの大きな隙間は、キーラーの空隙と名付けられた。
2008年に国際天文学連合が定義を明確化するまで、「間隙」(division)と「空隙」(gap)という用語の使い方は曖昧であった。この隙間は、全体がA環に含まれるため、本来であれば「空隙」と呼ぶべきである。
1980年まで、土星の環の構造は、ほぼ完全に重力の作用によるものだと説明されてきた。その後、ボイジャーからの画像によって、スポークとして知られるB環の放射方向の構造があることが明らかとなり、その存在や回転は重力による軌道力学では説明のつかないものだった。スポークは、位相角60°付近を境として、後方散乱光では暗く見え、前方散乱光では明るく見える。最も信じられている説では、スポークは、顕微鏡サイズの塵の粒子で構成され、静電的な反発力でメインリングにぶら下がり、土星の磁気圏とほぼ同期して回転していると説明される。スポークを生成する正確な機構は未だ不明であるが、土星の大気中の雷や環への流星塵の衝突が電気的な攪乱(かくらん)になりうると提唱されている。
スポークは、約25年後の2004年初め、カッシーニが到着した時には、観測できなくなっていた。その形成を説明するモデルから、2007年まで見えないと主張する学者もいたが、2005年9月5日に撮影された画像の中で、スポークが確認された。
スポークは、土星の真冬や真夏には消失し、土星の分点に近づくと再び現れる土星の季節的な現象だと考えられる。