5分でわかる潮汐ロック
潮汐ロック（tidal locking）とは、天体が自転する周期と、相手のまわりを公転する周期がぴったり同じになった状態です。「潮汐固定」や「同期自転」とも呼ばれます。いちばん身近な例は月で、地球を一周するのに約27.3日、自分で一回転するのにも約27.3日かかります。そのため、地球からはいつも同じ側しか見えません。
これは月だけの特別な話ではありません。太陽系の大きな衛星のほとんどは、それぞれの惑星に対して潮汐ロックされています。木星の四大衛星（ガリレオ衛星）もそうで、くわしくは木星の衛星の記事で紹介しています。さらに、赤色矮星（せきしょくわいせい）のまわりを回る惑星にも、潮汐ロックされた世界が多いと考えられています。
先に要点だけ整理します。
- 重力は天体をわずかに引きのばし、「潮汐の出っぱり」をつくります。
- 自転と公転の速さが違うと、出っぱりが相手の方向からずれます。ずれた出っぱりを引く力が、自転にブレーキをかけます。
- 自転周期と公転周期が等しくなるとブレーキが止まり、出っぱりは相手の方向にそろいます。これが潮汐ロックです。
- 軌道が近いほど、ロックされるまでの時間は短くなります。
潮汐ロックとは？仕組みをやさしく解説
重力は、相手に近い側ほど強く、遠い側ほど弱くはたらきます。この差が潮汐力で、天体を相手の方向にわずかに引きのばします。地球で目に見えるのは海の満ち引きですが、固い岩石の天体もほんの少し変形します。月はごくわずかに細長い形をしていて、長いほうの軸がおおよそ地球のほうを向いています。
ここに自転を加えて考えてみましょう。生まれたばかりの月が、今よりも速く自転していたとします。岩石は一瞬で形を変えられないので、潮汐による出っぱりは、地球へ向かう線より少し先へずれます。ずれた出っぱりを地球の重力が引くと、自転にブレーキをかける向きの力が生まれます。回っている車輪に手を軽くそえるようなものです。失われた回転のエネルギーは、月の内部の摩擦で熱に変わります。
ブレーキは、自転周期と公転周期が等しくなったところで止まります。出っぱりが二つの天体を結ぶ線の上にそろい、横へ引く力がなくなるからです。こうして自転の速さが固定され、潮汐ロックが完成します。
ロックまでにかかる時間は、主に三つで決まります。一つ目は距離で、時間は軌道の大きさのおよそ6乗に比例します。距離が2倍になると、約64倍も時間がかかる計算です。二つ目は相手の天体の質量で、重い相手ほど大きな潮汐を起こします。三つ目は自分自身の性質で、どれだけ固いか、変形を内部の熱にどれだけ変えやすいかが効いてきます。近くをまわる衛星は早い段階でロックされ、遠い天体は宇宙の年齢をかけてもロックされないことがあります。
誤解されやすい点ですが、ロックされた天体も自転しています。ただし回る回数は、公転1周につきちょうど1回です。だからいつも同じ面が相手を向きます。
月は一番身近な潮汐ロック
人類は長いあいだ、月の裏側を見ることができませんでした。最初に写真を撮ったのは1959年10月のソ連の探査機ルナ3号で、2019年1月には中国の嫦娥（じょうが）4号が、探査機として初めて裏側に着陸しました。裏側は表側と見た目が違い、地殻が厚く、「海」と呼ばれる暗い溶岩の平原がずっと少ないのが特徴です。
裏側は「月の暗黒面」と呼ばれがちですが、これは正しくありません。裏側にも、表側と同じように太陽の光が当たります。地球から見て新月のとき、表側は暗くなりますが、裏側は昼間です。「見えない側」であって「暗い側」ではありません。
長い目で見ると、地球からは月の表面の約59%を見ることができます。月の軌道が真円ではないことと、月の軸が傾いていることで、月がゆらゆらと首をふるように見えるからです。この現象を秤動（ひょうどう）といいます。
月と地球の関係は、今も変化しています。月が起こす潮汐は、地球の自転をごくわずかに遅くしていて、1日の長さは100年でおよそ2ミリ秒ずつ伸びています。月も年に約3.8センチずつ地球から遠ざかっています。理屈の上では、いつか地球も月に対してロックされますが、それにかかる時間は太陽の寿命よりはるかに長いため、実際には起こらないと考えられています。
科学的にはどうなのか
ここでは、観測で確かめられていることと、まだ研究が続いていることを分けて紹介します。
確かなこと：大きな衛星のほとんどはロックされている
大きな衛星では、潮汐ロックはごく普通の結末です。木星のイオ、エウロパ、ガニメデ、カリストはどれもロックされていて、土星の大きな衛星（タイタンなど）も同じです。冥王星と大きな衛星カロンは、たがいにロックされています。どちらも相手に同じ面だけを向け、約6.4日で1回転します。
確かなこと：潮汐加熱
ロックされたあとも、潮汐の影響は終わりません。イオの軌道はわずかに楕円（だえん）形です。エウロパとガニメデが決まったリズムで引っぱるためで、イオが4周するあいだに、エウロパが2周、ガニメデが1周します。イオが木星に近づいたり遠ざかったりするたびに潮汐の出っぱりが大きくなったり小さくなったりし、岩石が曲げのばしされます。この摩擦熱がイオの内部を温め、イオは太陽系でもっとも火山活動が活発な天体になっています。火山は数百あります。エウロパでも同じ種類の熱が、氷の下の海をこおらせない助けになっていると考えられています。くわしくはイオの記事をご覧ください。
確かなこと：水星は潮汐ロックされていない
水星は太陽のまわりを2周するあいだに、ちょうど3回自転します。これを3:2の共鳴といいます。自転は約58.6日、公転は約88日で、日の出から次の日の出までは約176日かかります。長いあいだ、水星は太陽に同じ面を向けていると考えられていましたが、1965年のレーダー観測でそうではないとわかりました。金星の自転もとても遅く、約243日で、しかも逆向きですが、こちらもロックされてはいません。
研究中：赤色矮星の惑星
赤色矮星は小さくて暗い恒星で、天の川銀河の恒星のおよそ4分の3を占めます。液体の水が存在できるほど暖かくなるには、惑星が星のごく近くをまわる必要があり、その距離では潮汐ロックが起こりやすくなります。太陽にもっとも近い恒星のまわりのプロキシマ・ケンタウリbは約11日で公転し、トラピスト1には7つの惑星があって、公転周期は約1.5日から約19日です。こうした惑星の多くは、ロックされているか、水星のような共鳴状態にあると見られていますが、自転が直接確かめられた例はまだ多くありません。
では、そこはどんな世界なのでしょうか。いちばん単純な想像図は「アイボール（目玉）惑星」です。焼けつく昼側、凍りつく夜側、そのあいだにある穏やかな薄明の帯（ターミネーター）という姿です。コンピューターによる気候モデルでは、大気や海が十分にあれば熱が運ばれ、昼夜の差がやわらぐ可能性が示されています。一方で、赤色矮星は強いフレアを出すので、薄い大気がはぎ取られるおそれもあります。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による初期の観測では、トラピスト1の内側の2つの惑星には、厚い大気がないか、あってもごく薄いと見られています。外側の、より冷たい惑星については、まだ調べている最中です。さらに、恒星のごく近くをまわる巨大ガス惑星「ホットジュピター」の多くも、ロックされていて昼側がとても高温だと考えられています。
SF作品での登場例
潮汐ロックは100年近くSFの題材になってきました。理由の一つは、昔の科学がまちがっていたことです。1960年代まで、多くの天文学者は、金星と水星が太陽に同じ面を向けていると考えていました。スタンリー・G・ワインボウムは、金星についてのこの考えを「ロータス・イーターズ」（The Lotus Eaters、1935年）に使いました。そこでは、焼けつく昼側と凍りつく夜側のあいだの細い薄明の帯に、生きものがしがみついています。のちにレーダー観測で、金星はゆっくり逆向きに自転し、水星は公転2周で3回自転すると示されたため、「永遠の薄明の金星」は時代の産物になりました。
キム・スタンリー・ロビンスンの『2312』（2312、2012年）は、同じ発想の別の面を使っています。水星はロックされていませんが、日の出がとてもゆっくりなので、「ターミネーター」という都市がレールの上を走り、夜明けのすぐ前を進み続けます。
最近の作家は、系外惑星の研究をそのまま取り入れています。薄明の帯をもつアイボール惑星は、近年の小説や短編にたびたび登場します。設定に地図が最初からついてくるのも魅力で、熱は恒星側、氷は反対側、そのあいだに人が暮らせる帯があります。作品で永遠の薄明の世界に出会ったら、「ロックなのか、共鳴なのか、熱を運べる大気はあるのか」と考えてみてください。作者がどこまで科学を大切にしているかが見えてきます。
よくある誤解
- 月には暗黒面がある。あるのは「裏側」です。月のどの場所も、1か月のうちに太陽の光を受けます。新月のときは裏側が昼間です。
- ロックされた天体は自転していない。ロックされた天体は、公転1周につき1回自転しています。二つの周期が等しいから、同じ面が相手を向くのです。
- 水星は潮汐ロックされている。されていません。公転2周で3回自転する3:2の共鳴です。
- ロックされた惑星は、半分が火で半分が氷。それは極端な場合です。大気や海の有無、熱の運ばれ方によって姿は変わり、夜側がどこまで穏やかになりうるかはモデルによって違います。
- ロックされるのは衛星だけ。惑星や準惑星も、近くで回り合う恒星どうしもロックされることがあります。冥王星とカロンはたがいにロックされています。
- 地球はもうすぐ月にロックされる。変化は本当に起きていますが、とても小さく、完全にロックされるには太陽の寿命よりずっと長い時間がかかります。
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ロックされた世界を大きなスケールで見たいなら、木星の衛星がおすすめです。ロックされた4つの世界が、それぞれまったく違う姿を見せてくれます。そのあとはイオへ。潮汐による曲げのばしが、太陽系でもっとも激しい火山をつくっています。
