彗星の核には水氷をはじめ、二酸化炭素や一酸化炭素などの揮発性物質が含まれています。しかし、写真や分光観測で見える「氷」は、いつも同じ場所に同じ量だけ見えているわけではありません。ある時期には明るい氷の斑点が現れ、数日後には消えることがあります。同じ地域でも、自転による昼夜で水氷の吸収が見えたり見えなくなったりすることがあります。
これは、氷そのものが昇華・再凝結・露出によって本当に変化することに加え、太陽光の当たり方、表面を覆うダスト、観測波長、空間分解能などによって「見える氷」が変わるためです。
結論：彗星の氷には「実際の変化」と「見え方の変化」が重なっている
彗星の氷が時間や観測条件によって変わって見える理由は、大きく二つあります。第一は、太陽から受ける熱によって氷が昇華し、夜間には一部が再凝結したり、表面のダストがはがれて新しい氷が露出したりするという実際の物理変化です。第二は、表面に同じ氷があっても、照明条件や観測波長、解像度によって検出しやすさが変わるという観測上の変化です。
国立天文台の彗星資料では、氷の昇華速度が温度に強く依存し、太陽からの距離や表面の受ける日射によって大きく変わることが説明されています。ESAのロゼッタ探査では、67P/チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星で、水氷の日周変化と、公転に伴う季節変化の両方が実際に観測されました。
日なたでは水氷が昇華し、夜には薄い霜として戻ることがある
67P彗星では、ロゼッタの赤外線分光器VIRTISによって、同じ表面領域の水氷が自転に合わせて現れたり消えたりする様子が確認されました。
日中、太陽光が当たると表面と浅い地下の水氷は温まり、固体から直接気体へ変わって昇華します。すると表面で検出できる水氷は減ります。やがてその地域が夜側へ回ると表面は急速に冷えますが、地下にはまだ昼間の熱が残っているため、浅い地下から水蒸気が出続けます。
その水蒸気が冷えた表面へ到達すると再び凍り、薄い霜や新しい水氷層をつくります。そして次の朝には、その新しくできた氷から再び昇華が始まります。
このため、同じ場所を数時間違いで観測するだけでも、水氷の分光シグナルが変わることがあります。これは「観測誤差」ではなく、核の自転に伴って本当に起きている日周サイクルです。
ただし、彗星の氷が毎晩すべて元に戻るわけではない
夜間に再凝結が起こるからといって、昼に失われた氷がすべて元通りになるわけではありません。昇華した分子の多くはそのまま宇宙空間へ逃げ、コマを形成します。
再凝結するのは、浅い地下から出てきた水蒸気の一部です。そのため、長い時間で見ると彗星核は太陽接近のたびに氷を失っています。日周サイクルは、失われる一方向の進化の中で、表面近くに一時的な霜が作られる現象と考えるのが適切です。
太陽へ近づく季節には、表面のダストがはがれて氷が見えやすくなる
彗星の表面は多くの場合、暗いダストや有機物に覆われています。その下に氷があっても、可視光や赤外線では直接見えにくいことがあります。
67P彗星では、太陽へ近づいて活動が強まるにつれ、ガス放出によって表面の古いダスト層が持ち上げられ、その下の氷に富む層が露出しました。ESAの観測では、近日点へ近づくにつれて核表面が全体として青みを増し、より水氷に富む表面が見えるようになったことが報告されています。
逆に、太陽から遠ざかると活動が弱まり、放出されたダストの一部が再び表面へ降り積もります。すると氷に富む面が隠れ、表面は再び赤みの強い暗い色へ戻っていきます。
つまり、氷そのものが増えたわけではなく、表面を覆うダストが減ることで「見える氷」が増える場合があります。
数十メートル級の氷の斑点が現れ、数日で消えることもある
ロゼッタは67P彗星の南半球で、通常より大きな水氷の露出域を観測しました。二つの明るい領域はそれぞれ数十m規模で、周囲の暗い表面より水氷に富んでいました。
ESAによると、これらの氷の斑点は約10日間ほど確認された後、消失しました。太陽光を受けて氷が昇華したためです。
このように、彗星表面では崩落や侵食によって地下の氷が一時的に露出し、その後の加熱で再び失われることがあります。数年前の画像と比べて「新しい白い場所」が見つかった場合、それは地下氷の新規露出である可能性があります。
水氷と二酸化炭素氷では、変化の時間スケールも違う
彗星に含まれる氷は水だけではありません。二酸化炭素や一酸化炭素などは水より低い温度で昇華しやすいため、表面へ現れる条件や消える時期が異なります。
67P彗星では、南半球の冬に表面へ凝結したと考えられる二酸化炭素氷が、その地域の季節が進んで太陽光を受けるようになると消失した例が観測されました。ESAはこの現象を、彗星の約6.5年の公転に伴う季節的な二酸化炭素氷サイクルとして解釈しています。
水氷で見られた自転周期に対応する日周サイクルに対し、二酸化炭素氷では公転と季節に対応する長い時間スケールの変化が確認されたことになります。
同じ太陽距離でも、近日点の前後で氷の見え方は同じとは限らない
彗星が太陽から同じ距離にある二つの時点でも、近日点へ向かう途中と、近日点通過後に遠ざかる途中では表面状態が同じではありません。
近日点へ近づく過程では、徐々に活動が強まり、表面ダストが取り除かれて氷に富む層が露出することがあります。一方、近日点を通過した後には、すでに多量の氷を失った場所があったり、ダストが再堆積して表面を覆い始めたりします。
そのため、太陽距離だけをそろえても、表面に見える氷量や色が同じになるとは限りません。彗星がそれまでにどの程度加熱され、どの表面が削られたかという履歴が重要です。
明るい白い場所が、必ずしも純粋な氷とは限らない
彗星の画像で明るく見える場所を見つけても、それだけで「純粋な水氷」と判断することはできません。表面の傾きや照明方向によって、岩や崖が明るく見えることもあるためです。
氷を確かめるには、色や明るさだけでなく、赤外線分光などによって水氷特有の吸収を確認する必要があります。ロゼッタでも、可視光で明るい斑点を見つけた後、VIRTISなどの分光データを使って水氷の存在が確認されました。
つまり、画像だけで見える「白さ」と、分光で確認された「氷の存在」は区別する必要があります。
観測波長が違うと、同じ氷でも見えたり見えなかったりする
可視光では、氷は周囲の暗いダストより明るく、青みの強い反射を示すことがあります。しかし少量の氷が暗い物質と混ざっている場合、可視光だけでは判別が難しいことがあります。
赤外線では、水氷や二酸化炭素氷が特定の波長で特徴的な吸収を示すため、組成をより直接的に調べられます。その一方で、表面温度や粒径、氷とダストの混合割合によって吸収の強さは変わります。
そのため、可視光画像ではほとんど変化がないように見えても、赤外線分光では氷量の変化が確認できることがあります。逆に、可視光で明るく見える変化が、分光では氷の増加を示さない場合もあります。
観測する場所の広さによっても「氷が多い・少ない」は変わる
探査機が数m単位で表面を観測すると、小さな氷の斑点や亀裂内部の霜を見つけられます。一方、地上望遠鏡では数km級の核を細かく分解できず、核全体やコマを平均した光として測定することが多くなります。
局所的には氷が多い場所があっても、その面積が核全体に対して小さければ、地上観測ではほとんど変化として現れない可能性があります。反対に、広い範囲でダストが除かれて氷に富む面が露出すれば、核全体の色や分光特性に変化が現れます。
「氷が増えた」という観測結果を見るときには、何m、何kmの範囲を平均した測定なのかを確認する必要があります。
コマで測った水蒸気量と、表面に見える水氷量は同じではない
彗星の氷を考えるとき、もう一つ重要なのが、核表面に「見える氷」と、コマへ放出された水蒸気の量を混同しないことです。
表面の大部分が暗いダストで覆われていても、地下から水蒸気が亀裂や空隙を通って放出されれば、コマでは大量の水が検出されます。逆に、表面に小さな明るい氷斑点が見えても、それだけで彗星全体の水放出量が大きいとは限りません。
表面氷の観測は「どこに氷が露出しているか」を示し、コマのガス観測は「どれだけの水が宇宙へ出ているか」を示します。両者は関連しますが、同じ量を測っているわけではありません。
時間変化を調べるには、同じ場所を同じ条件で繰り返し見る必要がある
彗星表面の氷が本当に増減したかを確かめるには、異なる時期の画像をただ並べるだけでは不十分です。自転位相、太陽光の入射角、位相角、観測波長、解像度をできるだけそろえ、同じ地域を比較する必要があります。
照明条件が違えば、同じ氷斑点でも明るさが変わります。分解能が違えば、小さな斑点が見えたり見えなかったりします。それらを補正しても分光上の氷シグナルが増減していれば、実際の昇華・再凝結・露出変化と判断しやすくなります。
ロゼッタが67P彗星と長期間並走したことで、数時間の日周変化から数か月・数年の季節変化まで追跡できたのは、この継続観測が可能だったためです。
まとめ
彗星の氷が時間や観測条件によって変わって見えるのは、氷そのものが実際に変化することと、同じ氷でも観測方法によって見え方が変わることの両方があるためです。
自転による昼夜では、水氷が日中に昇華し、夜に一部が表面へ再凝結する日周サイクルが起こることがあります。公転に伴う季節変化では、二酸化炭素氷が冬に凝結し、春から夏に昇華するような長いサイクルもあります。さらに、太陽接近でダスト層が取り除かれると、地下にあった氷が新しく露出して見えることがあります。
一方、照明方向、観測波長、解像度、観測範囲が違えば、氷の量が同じでも検出のされ方は変わります。したがって「前より氷が増えた」「氷が消えた」と判断するには、実際の昇華・再凝結・露出変化と、観測条件による見かけの差を切り分けることが重要なのです。
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参考資料
- 国立天文台「彗星のコマ（分子ガス）」
- ESA「Rosetta reveals comet’s water-ice cycle」
- ESA「Icy surprises at Rosetta’s comet」
- Nature「An orbital water-ice cycle on comet 67P from colour changes」
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