「大きな惑星ほど重力も強い」と考えると、木星、土星、天王星、海王星の順に表面重力が強くなりそうです。しかし実際には、そう単純ではありません。
木星の赤道付近の重力加速度は約24.8m/s²で地球の約2.5倍ですが、土星は約10.4m/s²で地球とほぼ同程度です。天王星は約8.9m/s²で地球より弱く、海王星は約11.2m/s²で土星より強くなります。
なぜ、惑星の大きさや質量の順と、表面重力の順は一致しないのでしょうか。理由は、表面重力が惑星の質量だけでなく、中心から表面までの距離、つまり半径にも強く左右されるからです。
結論：表面重力は「質量が大きいほど強い」「半径が大きいほど弱い」の組み合わせ
球に近い天体の表面重力は、基本的に次の関係で決まります。
表面重力 ∝ 質量 ÷ 半径²
質量が大きければ重力は強くなります。一方、半径が大きくなって表面が中心から遠ざかると、重力は弱くなります。
つまり、巨大な惑星はたくさんの質量を持つため重力を強くする要因がありますが、同時に半径も大きいため、表面では中心から遠くなり重力を弱める要因もあります。
この二つの効果の競争によって、8惑星の表面重力は単純な質量順にも大きさ順にもなりません。
8惑星の表面重力を比べるとどうなるか
NASA/JPLの赤道重力データをおおよそ並べると次のようになります。
- 水星：約3.70m/s²
- 金星：約8.87m/s²
- 地球：約9.80m/s²
- 火星：約3.71m/s²
- 木星：約24.79m/s²
- 土星：約10.44m/s²
- 天王星：約8.87m/s²
- 海王星：約11.15m/s²
最も強いのは木星ですが、2番目は巨大な土星ではなく海王星です。さらに金星と天王星は、質量も半径も大きく異なるのに、赤道重力はほぼ同じ値です。
この比較だけでも、「惑星が大きいほど表面重力が強い」という単純な見方が成り立たないことが分かります。
なぜ木星の重力は地球の約2.5倍にとどまるのか
木星の質量は地球の約318倍あります。それなら表面重力も数百倍になりそうに思えます。
しかし木星の半径は地球の約11倍です。重力は半径の2乗に反比例するため、表面が中心から11倍遠くなる効果は約121倍に相当します。
質量による約318倍の強化に対し、半径²による約121倍の弱化があるため、表面重力は地球の数百倍ではなく、およそ2.5倍程度になります。
木星は太陽系最大の惑星ですが、「巨大だから表面重力も桁違い」というわけではありません。
なぜ土星は地球とほぼ同じ重力なのか
土星の質量は地球の約95倍、半径は約9倍あります。それでも赤道付近の表面重力は約10.4m/s²で、地球の約9.8m/s²と大きく違いません。
土星は非常に大きな惑星ですが、平均密度が低く、水素とヘリウムを多く含むため、質量の割に半径が大きく膨らんでいます。
半径が大きいほど表面は中心から遠ざかります。そのため、土星の大きな質量による重力強化が、大きな半径によってかなり相殺されます。
「直径が地球の約9倍なのに、表面重力は地球とほぼ同じ」という土星の特徴は、表面重力が質量と半径の両方で決まることをよく示しています。
なぜ天王星より海王星のほうが重力が強いのか
天王星と海王星は大きさがよく似ています。実際、天王星の平均半径は海王星よりわずかに大きいほどです。
しかし質量は海王星のほうが大きく、平均密度も高くなっています。そのため、ほぼ同じサイズでも海王星のほうが強い重力を持ちます。
赤道重力は天王星が約8.87m/s²、海王星が約11.15m/s²です。
この違いは、「半径が同じくらいなら、より多くの質量を持つ天体ほど表面重力が強い」という関係を示します。
水星と火星の重力がほぼ同じなのはなぜか
水星は火星より小さく、質量も小さい惑星です。それにもかかわらず、赤道重力は水星が約3.70m/s²、火星が約3.71m/s²とほぼ同じです。
火星は水星より質量が大きい一方、半径も大きいため表面が中心から遠くなります。結果として、質量差と半径差の効果が打ち消し合い、表面重力が似た値になります。
つまり表面重力だけを見ても、惑星の質量を直接推定することはできません。
金星と地球はなぜ重力も似ているのか
金星は地球より少し小さく、質量もやや小さい惑星です。半径は地球の約95％、質量は約82％です。
その結果、表面重力は地球の約9.80m/s²に対して金星は約8.87m/s²となり、比較的近い値になります。
地球と金星は大きさだけでなく平均密度も近いため、質量と半径の比率が似ています。そのことが、表面重力の近さにもつながっています。
密度が分かると重力の違いを理解しやすい
惑星の質量は、密度と体積の組み合わせで決まります。半径が大きいだけでも体積は増えますが、同じ大きさでも密度が高いほど質量は増えます。
地球型惑星は岩石や金属を多く含むため比較的高密度です。一方、木星・土星は水素やヘリウムを多く含み、平均密度は低くなります。
特に土星の平均密度は約0.69g/cm³で、地球の約5.5g/cm³よりかなり小さい値です。国立天文台も、木星の密度が地球より小さいのは水素やヘリウムを主体とするためと説明しています。
大きな惑星でも低密度なら、半径の割に質量は増えません。そのため表面重力も、大きさから直感するほど強くならない場合があります。
「表面」がどこかは巨大惑星では少し難しい
水星・金星・地球・火星には岩石質の固体表面があります。そのため、表面重力は地面付近の重力としてイメージしやすいでしょう。
一方、木星・土星・天王星・海王星には、地球の地面のような明確な固体表面がありません。外側は厚い大気で、深くなるほど圧力が高くなっていきます。
そのため巨大惑星の「半径」や「表面重力」は、一定の大気圧となる基準面など、定義した位置で比較します。
つまり、木星の表面重力を「木星の地面に立ったときの重さ」とそのまま考えるのは正確ではありません。木星には立てる地表がないからです。
自転すると赤道での実効重力は少し弱くなる
惑星が自転していると、赤道付近では回転による遠心効果が働きます。この効果は、重力と反対向きに作用するため、体感する実効的な重さを少し小さくします。
地球でも極付近と赤道付近では重力加速度が少し違います。さらに木星や土星のような高速自転する惑星では、赤道方向へのふくらみも大きくなります。
赤道半径が大きくなると中心からの距離も増えるため、重力はさらに弱くなる方向に働きます。
したがって、精密な表面重力には、単純な質量と平均半径だけでなく、自転と惑星の形も関係します。
高度が上がるほど重力は弱くなる
重力は惑星の中心から離れるほど弱くなります。そのため、同じ惑星でも高度が高くなれば重力加速度は小さくなります。
地球上では数km程度の高度差なら変化はわずかですが、宇宙空間まで離れれば無視できなくなります。
人工衛星に「重力がない」わけではありません。低軌道の人工衛星にも地球の重力はかなり強く働いています。宇宙飛行士が無重力のように見えるのは、人工衛星と一緒に地球へ自由落下し続けているからです。
重力と脱出速度は同じではない
表面重力が強い惑星ほど脱出速度も大きくなる傾向がありますが、両者は同じ量ではありません。
表面重力は、その場所で物体がどれだけ加速されるかを表します。一方、脱出速度は惑星の重力圏から遠くへ逃れるために必要な速度です。
脱出速度には質量と半径が関係しますが、表面重力とは半径への依存の仕方が異なります。
NASA/JPLのデータでは、地球の脱出速度は約11.2km/s、木星は約60.2km/sです。木星の表面重力は地球の約2.5倍ですが、脱出速度は約5.4倍あります。
重力が強いほど大気を保ちやすいが、それだけでは決まらない
惑星の重力は、大気の保持にも影響します。強い重力ほどガス分子を宇宙へ逃がしにくくする方向に働きます。
木星や土星が軽い水素・ヘリウムを大量に保持できるのも、巨大な質量による強い重力が重要な理由です。
ただし大気を保てるかどうかは重力だけでは決まりません。大気上層の温度、恒星から受ける紫外線や太陽風、ガス分子の重さ、火山などからの供給も関係します。
表面重力が似ている金星と天王星でも、大気の構造や組成が大きく異なるのはそのためです。
重力は惑星の形や内部構造にも関係する
惑星が十分大きくなると、自分自身の重力によって物質が中心方向へ引かれ、全体がほぼ球形になります。国立天文台が紹介する惑星の定義にも、自己重力によって重力平衡形状になることが含まれています。
さらに内部では、重力による圧力が深さとともに増します。木星の内部では巨大な重力によって水素が非常に高圧になり、地球上とは異なる状態になると考えられています。
ただし、こうした「重力が惑星全体へ何をするか」は、表面重力の大小比較とは別の問いです。8惑星を比較するときには、表面での重力加速度と、内部で働く重力・圧力を区別する必要があります。
人の体重は惑星ごとにどう変わるのか
質量60kgの人が地球で受ける重さを基準にすると、水星や火星ではおよそ4割弱、金星では約9割、木星の基準面では約2.5倍に相当する重力を受けます。
ただし「60kg」という質量そのものは惑星が変わっても変わりません。変わるのは重力によって生じる重さです。
また木星などには立てる固体表面がないため、「木星に立ったら体重が何kg」という表現はあくまで基準面での重力を地球の体重計に換算したイメージです。
8惑星の重力差を整理すると
- 木星：最大質量で表面重力も最大だが、地球の約2.5倍にとどまる
- 土星：非常に巨大だが低密度・大半径のため地球と近い重力
- 海王星：天王星より小さいが質量と密度が大きいため重力が強い
- 天王星：地球よりはるかに巨大でも、表面重力は金星とほぼ同じ
- 地球・金星：半径と密度が似ているため重力も近い
- 水星・火星：大きさと質量は違うが、質量差と半径差が打ち消し合って重力がほぼ同じ
まとめ
8惑星の表面重力が大きさや質量の順にならないのは、重力が質量だけでなく半径にも強く左右されるからです。
質量が大きいほど重力は強くなりますが、半径が大きいほど表面は中心から遠ざかり、重力は弱くなります。さらに惑星の密度、自転による遠心効果、赤道方向へのふくらみも細かな違いを生みます。
そのため、巨大な土星でも表面重力は地球と近く、天王星より小さい海王星のほうが重力は強く、水星と火星は大きさが違ってもほぼ同じ重力になります。
惑星の重力を比べるときは、「どれだけ重いか」だけでなく、その質量がどのくらいの半径に広がっているかを見ることが重要です。
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参考資料
- 国立天文台 暦計算室「木星」
- 国立天文台「惑星の定義とは？」
- NASA/JPL Solar System Dynamics「Planetary Physical Parameters」
- NASA Science「About the Planets」
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