教科書では「月の自転周期と公転周期が等しい」の一文で終わりがちです。正しい説明でも、頭の中で動かすのは意外に難しいものです。まずは周期を暗記せず、自分で月を一周させてみます。
月がいつも同じ面を地球に向けていると初めて知ったのは、母が買ってくれた百科事典でした。
そこには、月の自転は約30日、地球を回る公転も約30日で、二つの周期が同じだから同じ面が見える、とありました。言葉は全部分かるのに、頭の中ではどうしても図が動きません。月が自転しているのに、なぜ同じ面を向け続けられるのでしょう。
1990年代の台湾では、科学と未解決の謎と陰謀論を一冊に詰め込んだ本が数多く並んでいました。どこまでが科学なのか分かりにくい一方、読む手も止まりませんでした。
地球から見えない月の裏側には宇宙人の基地や公表できない秘密がある、といった話も定番でした。月全体の画像をいつでも見られる時代ではなく、見えない半球は想像を広げる格好の場所でした。
のちに、裏側にも太陽光が当たり、探査機が詳しく撮影・地図化していると知りました。それでも、答えだけ覚えて動きを理解できなかった当時の疑問は残っています。
あの百科事典に欲しかった、自分で動かせる図をここに作りました。
自転速度をゼロにします。月が地球の右側から左側へ移っても、赤い印は宇宙空間の同じ方向を向いたままです。そのため地球からは別の面が見えます。一周の間に、地球から月面全体を見ることになります。
次に同期自転へ切り替えます。月が軌道を90度進むたびに月自身も90度回り、赤い印は地球へ向き直ります。地球から見える面はほとんど変わりません。
同期自転の条件は、自転一回と公転一周にかかる時間が同じで、回る向きも同じことです。遠方の恒星を基準にすれば月は確かに一回自転します。地球を基準にすると月面がずれません。
できたばかりの月が現在と同じ速さで回っていたわけではありません。地球の重力は月の近い側と遠い側でわずかに異なり、月全体を小さく潮汐変形させます。岩石も、海水ほど目立たないだけで変形します。
月の自転が速いと、膨らみは地球の方向から少し外れます。地球の重力がその膨らみを引き戻してトルクを加え、岩石が繰り返し曲がる間に機械エネルギーの一部が熱となり、自転が遅くなりました。
自転と公転が同期すると、膨らみが月の内部を行き来しなくなり、散逸は大幅に減ります。そのため同期状態が長く続きます。実際には軌道離心率、月内部の構造、ほかの摂動も関わります。スライダーは周期の関係だけを取り出しています。
潮汐とは重力の差による引き伸ばしで、海水だけの現象ではありません。岩石や氷、天体全体にも固体潮汐が生じます。変形でエネルギーが散逸すれば、長い時間をかけて自転を変えられます。
太陽系の大型衛星の多くは、同じ面を母惑星へ向けています。冥王星とカロンは相互に固定され、互いに決まった半球だけを向けています。
月の裏側は地球に背を向けていますが、太陽に背を向け続けるわけではありません。新月ごろは裏側が昼、満月ごろは裏側が夜になります。「暗黒面」と呼ぶと、日光が当たらないように聞こえてしまいます。
月の軌道は楕円で、公転速度は変化しますが自転速度はより一定です。軌道の傾きや観測位置も加わり、月は左右・上下に少し揺れて見えます。この秤動により、地球からは時間をかけて月面の約59%を見ることができます。
残りの領域も探査機が撮影し、地図化しています。宇宙人基地は子どもの想像を刺激する話でしたが、観測による証拠はありません。実際の裏側は表側と地形が大きく異なり、地質学だけでも十分に興味深い場所です。
月は地球に固定されていますが、地球はまだ月に固定されていません。地球の自転は月の公転よりずっと速く、地球の潮汐隆起は月より少し先へ運ばれます。月が隆起を引き戻して地球の自転を遅らせ、隆起は月を引いて角運動量を軌道へ渡します。
アポロ計画が月面に残したレーザー反射器で精密な距離測定ができます。月の平均距離は現在、年に約3.8センチメートル増えています。月が逃げようとしているのではなく、地球の自転と月の軌道が今も角運動量を交換している結果です。
百科事典の「30日」は覚えやすい近似値です。遠方の恒星を基準にした月の自転と公転は約27.3日。同じ月相から次の同じ月相までは約29.5日です。潮汐固定で比べるのは前者です。
二つの天体が十分に近い距離で長く過ごすと、潮汐力が自転を公転と同期するまで遅らせることがあります。太陽系には、常に同じ面を惑星へ向ける衛星が数多くあります。
イオ、エウロパ、ガニメデ、カリストはすべて木星に潮汐固定され、それぞれ同じ半球を木星へ向け続けます。
タイタンは約15日22時間で一回自転し、同じ時間で土星を一周します。そのため、土星にはいつも同じ面を向けます。
海王星の北極上空から見ると、トリトンは時計回りに公転し、海王星の自転とは反対向きです。天文学ではこれを逆行軌道と呼びます。その向きでも自転は同期し、同じ面を海王星へ向け続けます。
この二天体はさらに徹底しています。カロンは同じ面を冥王星へ、冥王星も同じ面をカロンへ向け、互いに相手の同じ側だけを見続けます。
水星は太陽を二周する間に三回自転する、3:2の自転・公転共鳴にあります。潮汐力はその進化に関わりましたが、月のように同じ面を太陽へ向け続けるわけではありません。
| 天体 | 自転周期 | 公転周期 | 状態 |
|---|---|---|---|
| 月 | 約 27.32 日 | 約 27.32 日 | 同期自転（1:1） |
| イオ | 約 1.77 日 | 約 1.77 日 | 同期自転（1:1） |
| タイタン | 約 15.95 日 | 約 15.95 日 | 同期自転（1:1） |
| トリトン | 約 5.88 日 | 約 5.88 日 | 同期自転（逆行軌道） |
| カロン | 約 6.39 日 | 約 6.39 日 | 冥王星と相互に固定 |
| 水星 | 約 58.65 日 | 約 87.97 日 | 3:2 のスピン軌道共鳴で、1:1 の固定ではない |
自転速度をゼロにします。月が地球の右側から左側へ移っても、赤い印は宇宙空間の同じ方向を向いたままです。そのため地球からは別の面が見えます。一周の間に、地球から月面全体を見ることになります。 同期自転の条件は、自転一回と公転一周にかかる時間が同じで、回る向きも同じことです。遠方の恒星を基準にすれば月は確かに一回自転します。地球を基準にすると月面がずれません。
できたばかりの月が現在と同じ速さで回っていたわけではありません。地球の重力は月の近い側と遠い側でわずかに異なり、月全体を小さく潮汐変形させます。岩石も、海水ほど目立たないだけで変形します。 月の自転が速いと、膨らみは地球の方向から少し外れます。地球の重力がその膨らみを引き戻してトルクを加え、岩石が繰り返し曲がる間に機械エネルギーの一部が熱となり、自転が遅くなりました。
月の裏側は地球に背を向けていますが、太陽に背を向け続けるわけではありません。新月ごろは裏側が昼、満月ごろは裏側が夜になります。「暗黒面」と呼ぶと、日光が当たらないように聞こえてしまいます。 月の軌道は楕円で、公転速度は変化しますが自転速度はより一定です。軌道の傾きや観測位置も加わり、月は左右・上下に少し揺れて見えます。この秤動により、地球からは時間をかけて月面の約59%を見ることができます。
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図とプログラムはStarWindowが制作しました。円軌道での自転／公転比だけを示し、NASAの画像は使用していません。実際の月面方向、月相、秤動を予報する道具ではありません。