自転と公転の同期

自転と公転の同期（潮汐ロック）とは

自転と公転の同期とは、二つの天体が互いの重力によって結びつき、共通の重心を中心に公転する際に、一方または両方の天体が常に相手に同じ面を向け続ける現象を指します。これは、自転周期と公転周期が完全に一致した状態であり、「同期自転」や「潮汐ロック」「潮汐固定」とも呼ばれます。

身近な例として、地球の衛星である月があります。月は約27.32日の自転周期と公転周期を持ち、常に地球に同じ面を向けています。

同期自転の原因

この現象は、二つの天体が比較的近い距離に位置し、一方の天体が他方に及ぼす潮汐力が強い場合に発生します。潮汐力とは、天体の重力によって引き起こされる変形力のことです。天体は、互いに引き合う重力によって、相手の天体から潮汐力を受けます。この力は、二つの天体を結ぶ軸の方向に天体を引き伸ばし、垂直方向には圧縮する形で作用します。

天体が十分に大きな質量を持つと、自己重力によってほぼ球形になります。しかし、潮汐力が働くと、天体はわずかに楕円形に変形し、潮汐バルジと呼ばれる膨らみが生じます。惑星と衛星の関係を例にすると、衛星の潮汐バルジは惑星との軸からずれて存在し、このずれがトルクを生み出します。このトルクは衛星の自転周期と公転周期の差を縮めるように働き、結果として同期自転に至ります。同様の現象は惑星にも起こり得ます。

同期自転の例

太陽系の多くの衛星は自転と公転が同期しています。例えば、火星の衛星フォボスやダイモス、木星のガリレオ衛星などが挙げられます。また、惑星と衛星の質量差が小さい場合、両方の天体が同期することもあり、冥王星とその衛星カロンがその例です。地球と月の場合、現在は月のみが同期していますが、長期的には地球も月の公転周期と同期すると考えられています。

近接連星系でも、多くの星が互いに同期していると考えられています。さらに、太陽系外惑星では、ホット・ジュピターと呼ばれる軌道半径の小さい惑星や、M型主系列星の周りを公転するハビタブル惑星（生命存在の可能性がある惑星）で同期が起こりやすいとされています。特に、トラピスト1惑星系のように、恒星に近い軌道を公転する惑星は潮汐ロックが起きている可能性が高いです。潮汐ロックされた惑星では、恒星からの光を常に受ける側と反対側で温度差が生じ、大気が移流によって均一化しようとする現象も起こりえます。ハビタブルゾーン内の惑星が潮汐固定される状況は、太陽の0.5倍から0.7倍よりも小さい質量を持つ主星の場合に一般的に発生します。

変わった例として、うしかい座τ星の系外惑星では、惑星の公転周期が恒星の自転周期を強制的に同期させている例も発見されています。

自転と公転の共鳴

自転と公転の同期は、「1:1共鳴」とみなすことができます。これは、軌道共鳴と同様に数学的に扱える現象です。様々な整数比の軌道共鳴が存在するように、自転と公転の共鳴も他の整数比で考えることができます。例えば、水星は自転と公転が3:2の比率で共鳴しています。これは、同期自転と同じメカニズムで発生しますが、水星の軌道離心率が比較的高いことが原因です。軌道が真円に近い場合、1:1の同期のみが安定しますが、楕円軌道では3:2の共鳴が安定になる場合があります。

共鳴の強さは共鳴幅で表され、3:2共鳴の幅は、1:1共鳴の幅に対して軌道離心率によって変化します。水星の場合、その軌道離心率から、3:2共鳴は1:1共鳴に近い強度を持ち、両方の状態を取りうると考えられています。

まとめ

自転と公転の同期は、宇宙に普遍的に見られる現象であり、天体間の相互作用を理解する上で重要な概念です。潮汐力によって天体の自転と公転が同期し、安定した状態になることは、惑星や衛星の進化に大きな影響を与えます。

出典

The Moon's revolution and rotation period

関連項目

潮汐力
月
* 軌道共鳴

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