惑星は、恒星のまわりをただ「引っぱられて回っている」わけではありません。惑星が前へ進もうとする運動と、恒星が惑星を引き寄せる重力が同時に働くことで、恒星へ落ちながらも衝突せず、その周囲を回り続けます。これが公転の基本です。
もし重力がなければ、惑星は慣性によってほぼ直線方向へ進み続けます。逆に、横向きの速度がまったくなければ、惑星は恒星へ向かって落下します。実際の惑星は十分な横向きの速度を持っているため、重力で進行方向を曲げられながら、恒星を外し続けるように運動します。
つまり、惑星と公転の関係を理解する鍵は、重力が「回転させる特別な力」なのではなく、惑星の直進運動を絶えず曲げることで軌道運動を生み出しているという点にあります。
太陽系の惑星では「太陽のまわりを回る」こと自体が惑星の条件の一つ
国立天文台が紹介する国際天文学連合の定義では、太陽系の惑星は「太陽の周りを回る」ことが基本条件の一つです。そのうえで、ほぼ球形になるだけの自己重力を持ち、自分の軌道付近から他の天体を排除していることなどが条件になります。
水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星の8惑星は、いずれも太陽のまわりを公転しています。
ただし、「惑星だから公転する」のではなく、惑星が恒星の重力圏の中で形成され、適切な速度を持って運動しているため公転します。惑星という分類は、その結果として成立している天体の状態を表しています。
重力だけなら惑星は恒星へ落ちる
恒星には大きな質量があるため、周囲の天体を重力で引き寄せます。
太陽も地球を常に太陽方向へ引いています。それなら「なぜ地球は太陽へ落ちないのか」と疑問に思うかもしれません。
実は地球は、重力によって絶えず太陽方向へ加速されています。公転は「落ちていない状態」ではなく、むしろ落ち続けている状態です。
ただし地球は同時に横向きにも高速で進んでいます。そのため、太陽へ近づこうとする間にも進行方向がずれ続け、太陽へ直接衝突せず周囲を回る軌道になります。
慣性だけなら惑星は直線方向へ飛んでいく
逆に、もし太陽の重力が突然なくなったとすると、地球は現在の円に近い軌道を回り続けることはできません。
慣性の法則によれば、外力がなければ物体はその瞬間の速度方向へ直線運動を続けます。
つまり、惑星を恒星の近くに保つには重力が必要です。しかし、重力だけでも安定した公転にはなりません。
「直進しようとする慣性」と「恒星へ向かわせる重力」が同時に存在することで、進行方向が少しずつ曲がり、公転軌道が生まれます。
公転とは「恒星を外し続ける落下運動」と考えると分かりやすい
人工衛星が地球を回る仕組みも、惑星の公転と基本的には同じです。
人工衛星は地球の重力によって落下しています。しかし十分な横向き速度があるため、落ちる間に地球表面も丸く下へ遠ざかり、地面へ衝突せずに地球の周囲を回り続けます。
惑星も同様に、恒星へ向かって曲げられながら前進します。
NASAは、惑星が曲線状の軌道を進むためには中心方向への加速度が必要で、その加速度を太陽と惑星の相互の重力が与えていると説明しています。
公転の速さが違えば結果も変わる
惑星の横向き速度は、公転を続けるうえで重要です。
同じ距離にある天体でも、速度が小さすぎれば恒星へ大きく近づく軌道になり、条件によっては衝突します。逆に速度が十分大きければ、より遠くまで広がる軌道になったり、さらに速ければ恒星の重力を振り切って系外へ離れたりすることがあります。
したがって、公転は「重力があるから必ず同じ円を描く」という単純な現象ではありません。
恒星の質量、惑星までの距離、惑星の速度と向きの組み合わせによって、その後の運動が決まります。
惑星の公転軌道は完全な円ではなく楕円になる
太陽系の惑星の軌道は、完全な円ではありません。ケプラーの第1法則では、各惑星は太陽を一つの焦点とする楕円軌道を進むと表されます。
NASAは、惑星と太陽の距離が公転中に変化し、最も近い近日点と最も遠い遠日点を持つことを説明しています。
ただし、多くの惑星の軌道は円に比較的近いため、模式図では円として描かれることもあります。
公転の本質は「円を描くこと」ではなく、重力によって束縛された軌道を進むことです。
惑星は恒星に近い場所ほど速く動く
楕円軌道では、惑星の公転速度は一定ではありません。
ケプラーの第2法則では、惑星と太陽を結ぶ線が同じ時間に同じ面積を掃くと表されます。このため、惑星は太陽に近い近日点付近で速く、遠日点付近で遅く動きます。
NASAも、惑星は太陽へ近づくほど速く、遠ざかるほど遅く公転すると解説しています。
これは惑星の運動エネルギーと重力による位置エネルギーの交換としても理解できます。
太陽から遠い惑星ほど1周に長い時間がかかる
水星は太陽の近くを約88日で一周しますが、地球は約365日、土星は約29.5年かかります。
この関係はケプラーの第3法則で表され、惑星の公転周期の2乗と軌道長半径の3乗の間に一定の関係があります。
OpenStaxは、同じ中心天体を回る惑星では、軌道が大きいほど公転周期が長くなることを説明しています。
遠い惑星ほど一周の道のりが長いだけでなく、太陽の重力が弱くなるため、公転速度も全体として遅くなります。その結果、公転周期は大きく伸びます。
公転は太陽だけが惑星を一方的に動かす現象ではない
重力は相互作用なので、太陽が惑星を引くと同時に、惑星も太陽を引いています。
厳密には、惑星だけが固定された太陽のまわりを回るのではなく、太陽と惑星は共通重心のまわりを運動します。
太陽は惑星より圧倒的に質量が大きいため、多くの場合は「惑星が太陽のまわりを回る」と表現して十分です。しかし木星のような大質量惑星は太陽の運動にも無視できない影響を与えます。
国立天文台暦計算室も、太陽系の重心が惑星の質量と位置によって変化し、太陽自身もその影響を受けることを示しています。
他の惑星の重力も公転を少しずつ変える
教科書では、太陽と1個の惑星だけを考えてきれいな楕円軌道を描くことがあります。
実際の太陽系には複数の惑星があり、それぞれが互いに重力を及ぼします。そのため、地球を含む惑星の運動は完全な二体問題の楕円から少しずつずれます。
国立天文台暦計算室は、他の惑星が地球や太陽へ及ぼす引力によって地球の公転が純粋な楕円運動からわずかに外れることを「摂動」として説明しています。
こうした小さな影響まで計算することで、惑星の位置を高精度に予測できます。
太陽系の惑星が同じ向きに公転するのは形成の歴史と関係する
太陽系の8惑星は、ほぼ同じ平面内を、ほぼ同じ向きに公転しています。
国立天文台は、この特徴が太陽系の形成過程と密接に関係すると説明しています。
太陽系は、ガスやちりを含む雲が重力で収縮してできたと考えられています。収縮する物質は回転しながら平たい円盤状になり、その円盤の中で微惑星が衝突・合体して惑星へ成長しました。
惑星が同じ回転円盤から生まれたため、現在も公転方向と軌道面に共通性が残っていると考えられています。
公転方向は重力だけでは決まらない
重力は恒星へ向かう力なので、それだけでは「時計回りか反時計回りか」を決めません。
公転の向きは、惑星が形成された材料が最初にどちら向きの角運動量を持っていたかによって決まります。
太陽系の原始惑星系円盤が一方向へ回転していたため、多くの惑星はその方向の運動を引き継ぎました。
したがって、「なぜ惑星は公転するのか」と「なぜ同じ方向に公転するのか」は少し違う問いです。前者は主に重力と慣性、後者は太陽系形成時の回転運動の保存と関係します。
公転と自転は別の運動
惑星には、公転だけでなく自転もあります。
公転は惑星が恒星など別の天体の周囲を回る運動で、自転は惑星自身が自分の軸のまわりを回る運動です。
地球では公転周期が約1年、自転周期が約1日です。この二つは同時に起きていますが、原因や観測上の効果は同じではありません。
公転は季節や惑星の位置関係などに関わり、自転は昼夜の交代などに深く関係します。後続の自転記事では、この違いを詳しく扱います。
公転と軌道も同じ言葉ではない
公転は「別の天体の周囲を回る運動」を表し、軌道はその運動によって天体がたどる経路を表します。
つまり、公転が「運動」なら、軌道は「道筋」です。
この記事では、惑星がなぜ公転運動を続けられるのかという力学的な原因を中心にしています。軌道の形や軌道要素、軌道がどの条件で変わるかといった詳しい問題は、別の「惑星と軌道」の記事で扱うほうが整理しやすくなります。
恒星のまわりを回る惑星は太陽系外にもある
太陽系以外にも、多数の恒星のまわりを惑星が公転していることが分かっています。
系外惑星では、惑星そのものを直接見るのが難しい場合でも、公転によって恒星の明るさや速度に周期的な変化が現れます。
惑星が恒星の前を通るトランジットでは恒星がわずかに暗くなり、惑星の重力で恒星も共通重心のまわりを動くため、恒星のスペクトルには周期的なドップラー変化が現れます。
このように、公転は惑星の基本運動であるだけでなく、見えにくい惑星を発見するための重要な手掛かりにもなります。
まとめ
惑星が恒星のまわりを公転し続けるのは、惑星の慣性による横向きの運動と、恒星へ向かう重力が同時に働くからです。
重力がなければ惑星は直線方向へ飛び去り、横向き速度がなければ恒星へ落下します。適切な速度を持つ惑星では、重力が進行方向を絶えず曲げるため、恒星へ落ちながらも衝突せず、その周囲を回り続けます。
惑星の軌道は一般に楕円で、恒星に近いところでは速く、遠いところでは遅く動きます。また、恒星から遠い惑星ほど公転周期は長くなります。実際の太陽系では他の惑星の重力による小さな摂動も加わります。
さらに、太陽系の惑星がほぼ同じ平面を同じ向きに公転することは、回転する原始惑星系円盤から惑星が形成された歴史を反映しています。つまり公転は、現在働く重力と慣性によって維持される運動であると同時に、惑星系がどのように生まれたかを残す運動でもあるのです。
コメント