重力範囲のHill球と親判定

ヒル球

ヒル球(Hill sphereWikiペディアより

天体力学の分野で、重い天体のまわりを公転する天体の重力が及ぶ範囲を示す。2天体に対し第3の天体の質量が無視できるくらい少ない場合に、第1の天体の摂動を受けながら第2の天体の周りを運動する第3の微小天体がいつまでも第2の天体の周りにとどまるような領域を言う。アメリカの天文学者ジョージ・ウィリアム・ヒルにより求められた。同様の解析をフランスのエドゥアール・ロシュも独立して行ったので、ロシュ球と呼ばれることもある。

ヒル球は、その名の通り球状の空間である。 このヒル球の半径 r は次の式で求められる。

ここでMは大きい天体(たとえば太陽)の質量、mは小さい天体(たとえば惑星)の質量、aは天体間の距離である。ヒル球の内側にある第3の小さい天体は惑星衛星となり、ヒル球の外側では太陽のまわりを独立して公転する天体となる。たとえば質量5.97×1024 kgの地球と1.99×1030 kgの太陽の軌道半径が 149.6 Gm(1AU)の時のヒル球の半径は約1.5 Gm (0.01 AU)であり実際のまでの距離0.370 Gmよりも十分に大きい。別の例として、地球の300kmの高さをまわる104トンのスペースシャトルのヒル球の径は120cmにすぎず、スペースシャトルの重心からの距離120cmはスペースシャトル中にある。ヒル球の径は天体の質量と主星との距離できまるので、太陽系で最も大きいヒル球を持つのは海王星でその径は116 Gm(0.775 AU)である。なお、太陽系の惑星の中で最も質量の大きな天体である木星は、海王星よりもずっと太陽に近いがために、木星のヒル球の径は53 Gm(0.354 AU)に過ぎない。ヒル球の解析は近似的なモデルであり、衛星となる天体の質量もモデルに影響を与えないように十分小さくなければならない。さらに放射圧などの考慮されていない力もあるため、衛星が長期的に安定である軌道はヒル球の1/2から1/3の内側の範囲にある。

親判定

ヒル球に関しては、重力圏の要素が質量なので固定される。親判定では、子天体の親は誰かという判定に天体距離に応じた固定的な静的エネルギー)と速度による可変的な動的エネルギーを比較して親判定する。動的エネルギーが静的エネルギーの2倍以上になると一つ上の中心天体が親天天体になる。だから重力圏(のような概念)は、ヒル球のように固定でなく、速度により親天体が変わるので可変である。

前国立天文台所長の古在由秀先生へ

(写真はWikiより借用)

それは、2015年夏、エアコンの嫌いな私が、ココイチでもらった団扇とビックカメラで買った2980円の扇風機で涼みながらビールを飲んでいた。前国立天文台所長の古在由秀先生の「月」の初版本を中古でアマゾンで購入して、読んでいた時だった。初版本は、1968年に出て、そのときに佐藤さんという方が購入なさったようだ。なぜわかったかというと、裏表紙に、1968年10月31日佐藤という印鑑が押してあったからだ。

古在先生に聞きたいことが山ほどあったのに、2018年にお亡くなりになりました。ご冥福をお祈りします。

古在由秀著「月」より引用(p128

地球を中心と考えた時の月の軌道も、ほぼ楕円であるが、太陽の月への引力と月と地球の重心の差が、月の軌道を乱している。この軌道を乱す力は、前に述べた潮汐力と似たもので会えることは、お分りいただけると思うが、それが地球の200分の1の強さになり、月の軌道を新月や満月の頃は、楕円軌道より300Km地球に近づけ、半月の頃は同じくらい地球から遠ざけている。この他、月には、他の惑星の力も働いているし(摂動)、地球が球でないための影響も現れ、月の軌道は実に複雑に変化しているのである。

古在先生の本を読んでいると、どうやら、月のエキセントリックな軌道が、摂動や地球の扁平が原因だと思われたようだ。

古在由秀著「月」より引用「ドローネイの月運動論」の<3000ポンドの賞金>(P131,132)

太陽、言い換えれば、地球の運動理論は、比較的簡単に作られたのであろうが、月の方は、なかなかうまくいかなかった。18世紀には、イギリス政府、パリ学士院が、懸賞金を懸けて、月の運動理論を奨励。(中略)1753年オイラーが月運動論によって3000ポンドを受け取った。

(うらやましー)

19世紀になって、月のかなり正確な位置を予報できる理論を導き出したのは、デンマークの天文学者ハンセンで、長い間、天体歴計算の基礎になっていた。

そのあと、幻の名理論「ドローネイの理論」が生まれたと記されています。現在、月の予報は「ブラウンの理論」を元にしているとのことです。

ああ、ブラウンの理論をみてみたいぞ。いろいろ調べてもわからないので、誰か知っている方、教えてください。

古在由秀著「月」より引用(p130

<実際上の問題>

三体問題が解けないということは、数学的には厳密に解けないということで、角度の三等分(任意の角度の三等分はコンパスと定規では三等分にできない)5次以上の方程式の解法と同様に不可能と言われている。しかし、実際問題として、角度の三等分は、我々は、かなり正確に角度を三等分することができる。三体問題も同じである。月でも惑星でも、その軌道は、大体において楕円であることがわかっているのです。その楕円からのハズレを、観測にかかる精度内で、何百年間かに渡って計算できれば良いのである。惑星の場合は、楕円からのハズレも非常にわずかで、例えば、木星の公転周期は、12年であるから、何十周期かについて計算が合えば良い。ところが、月は同じ年月の間に何千公転かしてしまい、しかも楕円からのハズレも大きいという点が問題である。

という一文を読んで、私は、エキセントリックな月軌道に興味を持ち、どんな原因でそんなことになっているのだろうと、調べたくなったのだ。月の軌道は、宇宙の中で、一番正確に観測しやすい対象ですし、それが、説明できないなら、その理論は、全宇宙共通に、通用しないということになります。おそらく、月の軌道が一般的で、惑星の軌道が特殊なのかもしれない。そこで、無謀ではあるが、月の軌道を研究してみることにしました。

2018年夏

FIFAワールドカップロシア大会で日本がベルギーに負けた日