軌道とは｜天体の軌道・衛星・重力をわかりやすく解説
軌道とは何かを図解でわかりやすく解説｜天体の軌道・衛星・重力の仕組みを初心者向けにやさしく紹介
軌道とは、眼窩のことでもあります。
軌道とは、物体が星や惑星、月などのまわりを回るときに宇宙空間でたどる道筋（経路）のことです。動詞としても使い、「～のまわりを回る」という意味になります。英語では「revolve（周回する）」と「rotate（自転する）」という語があり、前者はある天体のまわりを回る運動、後者は天体自身が回転する運動を指します（例：地球は太陽のまわりをrevolveし、地球自身は自転（rotate）しています）。
軌道の成り立ちと力学
軌道運動の主な原因は重力です。遠く離れた天体同士は互いに引力を及ぼし合い、その力によって一方が他方のまわりを回るような運動が生じます。アイザック・ニュートンは、万有引力の法則を示し、惑星や月の軌道が重力によって支配されていることを説明しました。また、ヨハネス・ケプラーは惑星の運動を調べて、軌道が完全な円ではなく楕円（エリプス）であり、惑星の速度が軌道上で一定でないことを示す法則（ケプラーの法則）を提案しました。
歴史的な考え方の変化
かつては太陽や惑星の運動が地球を中心に説明されることが一般的でしたが、観測と理論の進展により考え方が変わりました。コペルニクスは太陽中心の体系（地動説）を提案し、ガリレオ・ガリレイの観測もそれを支持しました。これらの発展により、太陽が太陽系の中心近くに位置し、地球はその周りを公転していることが理解されるようになりました（厳密には太陽系の重心＝重心点〈バリセンター〉の周りを回っています）。
衛星と人工衛星
衛星とは、ある天体の周りを回る天体の総称です。たとえば、月は地球の天然衛星です。また、惑星はより大きな天体（太陽）のまわりを回るという意味で広い意味では太陽の衛星とも言えます。地球の周りには天然衛星（月）が1つある一方で、人工的に打ち上げられた人工衛星は多数存在し、通信、気象観測、測位、科学観測などに使われています。
軌道の形と種類
- 円軌道：理想的には中心天体を等距離で回る軌道。実際には完全な円はまれですが、近似的に円に近い軌道をとる天体もあります（地球の公転はほぼ円に近い）。
- 楕円軌道：ケプラーが示したように多くの惑星や彗星は楕円形の軌道をとります。楕円は長半径（半長軸）や離心率で特徴づけられます。
- 放物線・双曲線軌道：一度近づいて再び遠ざかるような軌道は宇宙空間を通過する彗星や探査機の一部で見られ、重力の束縛を受けない（脱出）運動です。
- 低軌道（LEO）：地上から数百キロメートル程度。国際宇宙ステーション（ISS）は約400 kmを周回し、1周約90分程度で地球を一周します。
- 静止軌道（地球同期・静止衛星）：赤道上空約35,786 kmにある軌道で、地球の自転と同じ角速度で回るため、地上から見ると同じ位置に留まっているように見えます。通信衛星などで利用されます。
軌道を特徴づける要素（簡単に）
軌道は以下のような要素で表されます（専門用語の一部を簡単に紹介します）。
- 半長軸（a）：楕円軌道の大きさを示す値。軌道周期と深く関係します。
- 離心率（e）：軌道の丸さを示す指標。e=0で完全な円、0<e<1で楕円、e=1で放物線、e>1で双曲線。
- 軌道周期（T）：一周するのにかかる時間。ケプラーの第三法則により、中心天体からの平均距離（半長軸）が大きいほど周期は長くなります。
- 傾斜角：軌道面が基準面（例えば地球の赤道面や黄道面）に対してどれくらい傾いているかを示します。
その他の重要な概念
- 軌道速度・脱出速度：ある高度で天体から脱出せずに周回するために必要な速度（軌道速度）や、天体の重力圏を脱出するための最小速度（脱出速度）があります。
- 摂動：他の天体の重力や大気抵抗、太陽放射圧などにより、理想的な軌道から少しずつずれていく現象です。軌道は完全に固定されたものではなく、時間とともに変化します。
- 軌道投入と軌道操縦：人工衛星を所望の軌道に入れるためには打ち上げ時の速度と角度の調整や、軌道上での推進装置による微調整が必要です。
まとめ
軌道は宇宙での天体の動きを理解するための基礎的な概念であり、重力や初速度、他の天体からの摂動などが複合して決まります。歴史的には地動説への転換やケプラー・ニュートンの業績を経て現在の理解に至り、人工衛星や宇宙探査など現代の宇宙活動にも欠かせない考え方です。
惑星軌道
共通の副都心を周回している質量にわずかな差がある2つの体。これは、冥王星-シャロン星系のようなものです。
軌道周期
軌道周期とは、ある物体、つまり衛星が他の物体の周りを周回するのにかかる時間のことです。例えば、地球の公転周期は1年です。365.25日です。余分な「.25」は、4年に1度うるう日がある理由です）。
月は地球の周りを一周するのに27日（地球から見て29.53日）かかり、自転するのにも時間がかかります。そのため、月は常に片側だけが地球に面していて、「月の暗い面」は反対側を向いています（月のどの面も同じように光を受けていますが、私たちには見えないので「暗い」と呼ばれています）。1つの太陰年と1つの太陰日は同じ時間である。
楕円軌道と偏心軌道
ヨハネス・ケプラー（1571-1630年生きた）が数学的な「惑星運動の法則」を書いたのは、太陽系の惑星の軌道が本当の円ではなく、本当の楕円（「平らになった円」のような形）であることを発見したからです。これが、軌道が楕円形と表現される理由です。軌道が楕円であればあるほど、軌道が偏心していることになります。これを軌道偏心といいます。
アイザック・ニュートン（1642年～1727年）は、ケプラーの法則がなぜそのように働くのかを示すために、重力についての彼自身の考えを用いました。ジョセフ・ルイ・ラグランジュは、軌道力学の研究をさらに発展させ、ニュートンの理論を使って軌道の形を変える摂動を予測しました。
質問と回答
Q: 軌道とは何ですか?
A:星や惑星、月の周りを回るときに、宇宙空間で物体が通る道筋のことです。
Q: 大昔、太陽の軌道はどのように捉えられていたのでしょうか?
A: 大昔は、太陽は地球の周りをぐるぐると回っていると考えられていました。毎朝、太陽は東から昇ってきて、西に沈む。地球の周りを回っているのは理にかなっていると思ったのです。
Q: 重力によって軌道が制御されていることを発見したのは誰ですか?
A: アイザック・ニュートンが、重力が惑星や月の軌道を制御していることを発見しました。
Q: 地球は他の天体の衛星なのか?
A:はい、地球は太陽の衛星です。月が地球の衛星であるように。
Q: 太陽にはいくつの衛星があるのですか?
A:太陽には、惑星や何千もの小惑星、彗星、メテオロイドのような、たくさんの衛星があります。
Q: コペルニクスやガリレオは、軌道についてどう考えていたのでしょうか?A: 人々が最初に軌道について考え始めたとき、すべての軌道は完全な円でなければならないと考え、円は「完全な」形だと考えていました。コペルニクスやガリレオもそう考えていた。
Q: 惑星の軌道はすべて真円なのでしょうか?A:いいえ、惑星の運動を注意深く研究するようになったとき、すべての惑星の軌道が完全な円であるとは限らないことがわかりました。
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