月は、いつも おなじ 面を 地きゅうに むけて います。だから、地きゅうからは 月の うらがわの ほとんどを 見る ことが できません。

水星も、月と おなじ ように、いつも おなじ 面を たいように むけて いると、ながい あいだ 思われて いました。でも、それは まちがいだったと、あとに なって わかりました［1］。

月は、いつも同じ面を地球に向けています。だから、地球からは月の裏側のほとんどを見ることができません。

水星も、月と同じように、いつも同じ面を太陽に向けていると、長いあいだ思われていました。でも、それは間違いだったと、あとになって分かりました［1］。

月が、常に同じ面を地球に向けていることはよく知られている(公転と自転の周期が一致する「1対1の潮汐固定」という状態だ)。

では、水星も同じだろう、という考えは、どこから来たのか。ここには、1879年、イギリスの天文学者ジョージ・ダーウィンが、地球と月のあいだの潮汐摩擦が両者の自転・公転を長い時間をかけて変化させることを論じ、月の自転が地球との潮汐相互作用によって公転周期と一致するまで遅くなったことを説明したことが関わっている。この考えが類推され、太陽に最も近く強い潮汐力を受ける水星も、同じように1対1で太陽に同期しているはずだと考えられるようになった。1965年より前、水星は「常に同じ面を太陽に向けている」というのが天文学の定説だった［1］。

1965年、アメリカの天文台てんもんだいで、大きな電波でんぱのさらを つかって、水星に むけて でんぱを とばす じっけんが おこなわれました。水星に あたって かえって きた でんぱを しらべると、水星が どれくらいの はやさで まわって いるかが わかります［2］。

けっかは、みんなの よそうと ちがいました。水星は、たいようの まわりを 1しゅう する あいだに、1かいだけ まわって いるのでは ありませんでした。1.5かい まわって いる ことが わかったのです［2］。

1965年、プエルトリコにあるアレシボ天文台で、直径305mの巨大な電波望遠鏡を使って、水星に向けて電波を飛ばす観測が行われました。水星に当たって返ってきた電波を調べると、水星がどれくらいの速さで回っているかが分かります［2］。

結果は、それまでの予想と違っていました。水星は、太陽のまわりを1周するあいだに、1回だけ自転しているのではありませんでした。1.5回自転していることが分かったのです［2］。

この定説をくつがえしたのは、地上から飛ばした電波だった。1965年、アメリカの天文学者ゴードン・ペッティンギルとロルフ・ダイスは、プエルトリコにあるアレシボ天文台の口径305mの電波望遠鏡を使い、水星にレーダー電波を反射させる観測を行った。反射波にわずかな周波数のずれ(ドップラー効果)が生じることを利用し、水星表面の自転速度を測定する手法だ［2］。

では、水星は実際にはどう回っていたのか。観測の結果、水星の自転周期(恒星日)は約59日と判明した。これは公転周期88日のちょうど3分の2にあたる。つまり水星は、太陽のまわりを2周するあいだに、自転をちょうど3回行っている。それまで信じられていた1対1の同期ではなく、「3対2」の関係にあった［2］。

月は まん丸に ちかい みちを とおって 地きゅうの まわりを まわって います。でも 水星が たいようの まわりを まわる みちは、月より つぶれた だ円の 形を して います［3］。

水星が たいように いちばん ちかづく ところでは、たいようの ひっぱる ちからが とくに つよく なります。水星の みちが だ円で、たいように ちかい ときと とおい ときで ちからが かわる ことが、水星が 1かいでは なく 1.5かい まわる かたちで おちつく ことに かかわって いると かんがえられて います。くわしい しくみは、研究者が いまも しらべて います［3］。

月は真ん丸に近い道を通って地球のまわりを回っています。でも水星が太陽のまわりを回る道は、月より押しつぶされた、だ円の形をしています［3］。

水星が太陽に一番近づくところでは、太陽の引っぱる力がとくに強くなります。水星の道がだ円で、太陽に近いときと遠いときで力が変わることが、水星が1回ではなく1.5回自転するかたちで落ち着くことに関わっていると考えられています。くわしいしくみは、研究者がいまも調べています［3］。

なぜ水星は、月のような1対1にならなかったのか。手がかりは、軌道の形にある。水星の公転軌道の離心率(軌道がどれだけ円からずれているかを示す値)は0.206で、太陽系の8惑星のなかで最も大きい。近日点(太陽に最も近づく点)では、遠日点に比べて太陽からの潮汐力が大きく強まる［3］。

月のように離心率がほぼ0の円軌道であれば、公転周期と自転周期が完全に一致する1対1の状態(潮汐固定)に落ち着きやすい。しかし水星のように離心率が大きい軌道では、太陽の潮汐力によって自転がしだいに遅くなっていく過程で、水星は完全な球ではなく、わずかにゆがんでいる。そのため太陽に引かれる力の働き方が向きによって少し変わり(この回転させようとする力をトルクという)、自転を遅くする潮汐の働きとつり合う場面が生じる。すると1対1まで遅くなりきる前に、3対2の状態でつかまって安定してしまう。この安定解の存在は、レーダー観測と同じ1965年、イタリアの数学者ジュゼッペ・コロンボによる理論計算で示された［3］。

水星が 1かいまわる じかん(59にち)と、水星の「1にち」(176にち)は、べつの ものです。水星は まわりながら、たいようの まわりも すすんで います。だから、水星の 上に 立って 見た たいようが、まえと おなじ ばしょに もどって くるまでには、もっと じかんが かかるのです［4］。

水星に すんで いる 人が いたら、日の出から つぎの 日の出までに、水星は たいようの まわりを 2しゅうも して しまいます［4］。

水星が1回自転する時間(59日)と、水星の「1日」(176日)は、別のものです。水星は自転しながら、太陽のまわりも進んでいます。だから、水星の上に立って見た太陽が、前と同じ場所にもどってくるまでには、もっと時間がかかるのです［4］。

水星に住んでいる人がいたら、日の出から次の日の出までに、水星は太陽のまわりを2周もしてしまいます［4］。

自転に約59日かかるなら、日の出も約59日ごとに来る、と考えたくなる。ところが、そうはならない。「恒星日」(星を基準にした自転周期、約59日)と「太陽日」(その星の表面から見て、太陽が同じ位置にもどってくるまでの時間、約176日)は別の概念だ。地球ではこの差はわずか約4分だが、水星では劇的に大きくなる。

では、その差はなぜ生まれるのか。水星は自転しながら同時に公転もしているため、太陽が天球上で同じ位置に戻るには、単純な1回転以上の自転が必要になる。水星は3回自転する間に2回しか公転しないため、太陽日は恒星日の約3倍、すなわち約176日になる。水星の住人がもしいれば、日の出から次の日の出までのあいだに、水星はまるまる2回、太陽のまわりを公転することになる［4］。

月の まわる みちは、水星に くらべて ずっと まん丸に ちかいのです。だから、地きゅうから うける ちからは、いつも あまり かわりません。その ため 月は、いちばん おちつく かたち、つまり ぴったり 1かい まわる かたちに なりました［5］。

水星は みちが つぶれた 形だった ため、1かいでは なく 1.5かい まわる かたちに なりました。おなじ ように たいようや 地きゅうから ひっぱられて いても、みちの 形が ちがうと、おちつく さきも ちがって くるのです［5］。

月の回る道は、水星に比べてずっと真ん丸に近いのです。だから、地球から受ける力は、いつもあまり変わりません。そのため月は、一番落ち着くかたち、つまりぴったり1回自転するかたちになりました［5］。

水星は道がつぶれた形だったため、1回ではなく1.5回自転するかたちになりました。同じように太陽や地球から引っぱられていても、道の形が違うと、落ち着く先も違ってくるのです［5］。

月と水星は、どちらも潮汐力を受けながら、行き着いた先が違う。まず月は、地球との潮汐相互作用によって自転がしだいに遅くなり、公転周期と一致する1対1の状態(潮汐固定)まで同期した。月の公転軌道の離心率は約0.055で、水星の軌道(0.206)より円に近い。そのため、水星に比べると公転中の潮汐力の変化は小さい。

一方、水星は離心率0.206という大きくつぶれた軌道を持つ。そのため、自転が遅くなっていく途中の3対2の状態で安定してしまい、1対1まで遅くなりきることがなかった。同じ潮汐力による同期現象でも、軌道の形しだいで行き着く先が変わる［5］。

水星の ほかにも、じてんが ふしぎな わく星が あります。金星きんせいは、ほかの わく星と ぎゃくむきに じてんして います。図かんや インターネットで、金星の「1日」と「1年」、どちらが ながいか しらべて みよう。

水星のほかにも、自転がふしぎな惑星があります。金星は、ほかの惑星と逆向きに自転しています。図鑑やインターネットで、金星の「1日」と「1年」、どちらが長いか調べてみよう。

水星のほかにも、自転に個性のある惑星がある。金星は他の惑星と自転の向きが逆(逆行自転)で、しかも自転周期(約243日)が公転周期(約225日)より長い。天体ごとの自転周期・公転周期・軌道の離心率を調べ、なぜそのような自転になったのかを考えてみると、それぞれの天体がたどってきた歴史の違いが見えてくる。ジュゼッペ・コロンボは、水星の3対2共鳴を理論的に解き明かしただけでなく、その5年後には、探査機マリナー10号を何度も水星に接近させる軌道も別に発見している。その話は「水星まで8年かかるのはなぜ」の記事で扱っている。