潮汐ロック（タイダルロック）とは：同期回転の定義・仕組みと代表例（月・冥王星）

潮汐ロック（タイダルロック）とは何かをわかりやすく解説。同期回転の仕組み、月や冥王星・カロンの事例、発生時間の概算や影響を図解で紹介。

潮汐ロック（または捕捉された回転）とは、ある天体が自転周期と公転周期を同じにすることで、常に同じ面を相手に向け続ける現象です。一般に「同期回転」とも呼ばれます。典型的な例は月で、月の同じ面が常に地球に向いています。

仕組み（どうして起きるか）

潮汐力は、近接する天体の重力差によって生じる力で、天体をわずかに伸ばす方向の変形（潮汐変形）を引き起こします。自転している天体では、潮汐凸起（「山」のような部分）が自転と公転の間の位相差によりずれ、凸起と相手天体との重力相互作用からトルクが働きます。このトルクが天体の自転角運動量を減少させ（あるいは増加させ）、最終的に自転周期が公転周期と一致する安定点に落ち着きます。これが潮汐ロックです。

重要な点は次のとおりです：

• 潮汐トルクは自転速度を変え、角運動量を軌道に移す（あるいは軌道から受け取る）ことで、双方の軌道や自転を進化させます。
• 質量比や距離が大きく異なる場合は、通常は小さい側（衛星）が大きい側（惑星）に潮汐ロックされやすいです。一方、質量が似ている場合は互いに潮汐ロックすることがあります。
• 永久に完全同期するかどうかは、軌道の離心率や内部構造（剛性や粘性）、潮汐減衰を表すパラメータ（例えばLove数 k2 や品質因子 Q）に依存します。

代表例

典型例としては次が挙げられます：

• 月 — 月は地球に潮汐ロックされており、常にほぼ同じ面を向けています（ただしわずかな摂動により光学的な揺れ＝自由または強制的な章動・自転の揺らぎ（小さなランブレーション）があり、長い期間で見ると月の表面の約59%が観測可能です）。
• 冥王星とカロン — この系は互いにほぼ完全に潮汐ロックしており、冥王星は常にカロンの一面を向け、カロンも常に冥王星の同じ面を向けています（相互潮汐ロック）。
• 多くの太陽系の衛星（ガリレオ衛星や土星の主要衛星など）は主星に潮汐ロックされています。
• 例外として、水星は潮汐力の影響を受けているものの、離心率のために3:2のスピン・軌道共鳴（3回自転して2回公転）に捕獲されています。

時間スケールと計算の不確実性

ある天体が潮汐ロックに到達するまでの時間は理論的に計算できますが、実際の数値は多くの不確実性を伴います。時間スケールは距離に対して非常に敏感で、半径や軌道長半径、内部構造（剛性・粘性）、Love数（k2）、品質因子（Q）などに依存します。概算すると、潮汐同期時間は距離の高い冪（一般に a^6 に比例する場合が多い）に比例しますので、距離が少しでも大きくなると同期に要する時間は急増します。

例えば、月は形成から比較的短期間（数千万年〜数億年のスケール）で地球に潮汐ロックされたと考えられていますが、正確な値は初期の軌道離心率や月の内部の状態などに左右されます。

亜種・関連現象

• スピン・軌道共鳴：潮汐ロックは1:1の共鳴ですが、3:2や他の比率に捕獲される場合もあります（例：水星）。
• 偽同期（pseudo-synchronous）：高い離心率を持つ系では、厳密な同期ではないが平均的に近い回転状態になることがあります。
• 潮汐加熱：軌道離心率や位相の変化により断続的に変形することで内部摩擦が生じ、天体内部が加熱されることがあります（例：木星の衛星イオや土星のエンケラドゥス）。これは地質活動や地下海の維持に重要です。
• 自由および強制章動（ランブレーション）：完全な静止ではなく微小な振動が残り、これにより観測者は通常の潮汐ロック天体の表面の一部以上を覗き見ることができます（例：月の59%可視面積）。

観測的特徴と影響

潮汐ロックされた衛星は常に同じ「近点側」と「遠点側」を持つため、近点側では主星の影響により気候や放射環境が異なることがあります。長期的には自転が固定されることで大気や地質活動の分布に偏りが生じる可能性があり、系外惑星のハビタビリティ議論でも重要な要素となります。

もし、月が全く回転していなければ（すなわち慣性座標系で自転がゼロであれば）、月は地球の周りを公転するにつれて地球に近い側と遠い側を交互に見せることになり、潮汐ロックしている現在とは見え方が異なります。

まとめ

潮汐ロックは潮汐力によるトルクで自転と公転が同期する現象で、衛星—惑星系で広く見られます。典型例は月や冥王星とカロンの相互ロックであり、発生までの時間や最終状態は距離、質量比、内部物性、軌道の形状など多くの因子に依存するため、実際の評価には不確かさが伴います。潮汐ロックは表面観測や内部加熱、軌道進化など多くの天体物理学的影響を持つ重要な現象です。

ライブラリー

ライブラとは、軌道上の天体が互いに振動する運動のこと。例えば、地球に対する月の動きや、惑星に対するトロイア小惑星の動きなどがある。

月は潮汐摩擦の影響で、通常、片側の半球が地球に面しています。そのため、私たちが初めて月の裏側を見たのは、1960年代の月探査によるものでした。

しかし、このような単純な図式はおよそ正しいものではなく、時間の経過とともに、地球から見える月面の半分よりもわずかに多く（約59％）の部分が司馬遼太郎の影響を受けています。

地球から見た月がゆっくりと前後に揺れることで、観測者は時間によって月面の半分を少しずつ見ることができます。

1ヶ月間の月の動きをシミュレートし、緯度・経度の変化を示す

質問と回答

Q:潮汐ロックとは何ですか?

Q: 潮汐ロックの典型的な例は何ですか?

Q: 潮汐ロックされた天体は、自転と公転に同じ時間がかかるのですか?

Q: 同程度の質量を持ち、距離の小さい天体同士でも潮汐ロックは起こりますか?

Q: もし月の自転が止まったらどうなりますか?

Q: 潮汐ロックが起こるまでの時間を調べることはできますか?

Q: 潮汐ロックは軌道共鳴と関係があるのでしょうか?

文字で検索