太陽系について | 動くニュートンの重力

ミニチュアの太陽系

アプリの太陽の質量は 1000 で、どの惑星、衛星、準惑星もそれに対する本物の質量を保っています。そのため質量 1 の木星は、本物の 1 対 1047 という比にほぼ等しくなります。惑星は本物の順序と傾きを、準惑星は本物の軌道を保っていますが、水星と海王星が同じ画面に収まるよう距離を縮めています。海王星は太陽から地球の 30 倍ではなく 4.5 倍のところにあります。どの天体もニュートンの法則でほかのすべての天体に引かれるので、軌道は本物の軌道を保っているのと同じ法則から生まれます。火星と木星のあいだのかすかな塵が小惑星帯です。1500 個の小惑星は、ほかの天体を引くには小さすぎ、すべてを計算するには多すぎるので、それぞれが太陽をめぐる決まった楕円をたどるだけです。軌道は本物と同じように引き伸ばされ傾いているので、小惑星帯は厚みのある輪になり、木星の引力が空けているカークウッドの空隙は避けています。その間を3機の探査機が小さなアイコンで飛んでいます。パーカー・ソーラー・プローブは、人が作ったどんな物よりも太陽に近い 690万 km まで飛び込み、金星の軌道まで届く軌道を回ります。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は地球の 150万 km 外側の L2 点のまわりを回り、18 倍遠く、月のすぐ外側に描いています。ボイジャー1号は最も遠い探査機で、171 AU のかなたを毎年 3.6 AU ずつ遠ざかっており、遠すぎるので縁の矢印がその方向を示します。どれも質量がなく、式に従って本当の経路をたどります。ウェッブはスラスターを噴かしてやっと平衡点にとどまっているからです。

太陽系の太陽と惑星のモンタージュ — 太陽系モンタージュ。画像：NASA/JPL、パブリックドメイン

お気に入りで行ける場所

どのお気に入りも、動き続ける同じ太陽系の中の1か所へカメラを飛ばし、天体はそのまま動き続けます。「太陽系全体」と「内惑星」は斜めから見ます。「地球と月」「火星」「木星」「土星」「天王星」「海王星」「冥王星とカロン」はその天体と一緒に飛び、衛星が収まるように画面を合わせます。「カイパーベルト」は外側の太陽系を見下ろし、15 倍速く進むので、海王星は1分足らずで1周します。「ランダム」は、ランダムに選んだ天体の近くへ飛びます。

アポロ17号から見た地球、ブルーマーブル — アポロ17号からの地球。画像：NASA、パブリックドメイン

3次元の軌道

惑星は1つの平らな面の上で公転しているわけではありません。どの軌道も、黄道面と呼ばれる地球の軌道面に対して少し傾いています。水星は 7°、金星は 3.4°、土星は 2.5°、ほかの惑星は 2° 未満です。ミニ太陽系はこの実際の傾きを使っており、その月も本物と同じく 5.1° 傾いた軌道で地球を回ります。数値表示の軌道傾斜角 i がこの傾きです。図をドラッグして回転させるか、「表示」で「真横から」を選ぶと、軌道を横から見られます。8つの惑星のどれかや月を大きくズームすると、本物の傾いた自転軸で回る球体が見えます。地球には本物の海岸線、雲、氷床、そして夜側には街の明かりがあり、火星には暗い模様と白い極冠があります。金星で見えるのは厚い淡黄色の雲の上面だけで、この雲は地球の4日で惑星を逆向きに1周します。木星には縞と帯、大赤斑が見え、土星には淡い縞、北極を囲む六角形、環の影が見えます。横倒しの天王星は一方の極に明るいもやがかかった淡いシアンの球で、海王星はより深い青に白い雲と、1989年にボイジャー2号が見た大暗斑があります。1年に対する1日の長さは本物よりずっと長くしてあるので、自転を目で追えます。本物の1日を保つのは2つ。灰色でクレーターだらけの水星は太陽を2周するあいだに3回自転し、月は地球を1周するごとに1回自転するので、暗い海とティコの明るい光条のある同じ面をいつも地球に向けています。土星最大の衛星タイタンは、厚い窒素の大気にたちこめるスモッグでできたオレンジ色のもやの球で、縁を薄い青い層が囲んでいます。タイタンもいつも同じ面を土星に向けています。天王星の衛星は、1986年にボイジャー2号が見た姿で描かれています。灰色のミランダには、明るい帯と暗い帯が並ぶ大きな楕円、コロナがいくつもあり、その一つには明るいV字模様があります。チタニアはクレーターだらけで、長い峡谷に切り裂かれています。より暗いオベロンの大きなクレーターは、明るい光条の中に暗い底をもっています。海王星最大の衛星トリトンは、1989年にボイジャー2号が見た姿で描かれています。南極は淡いピンク色の窒素の霜の極冠に覆われ、間欠泉の噴煙が残した暗い筋が走っています。その外側にはより灰色の地面が広がり、メロンの皮のようなくぼみが並び、遠い昔に氷の溶岩に覆われた平らな平原もあります。火星の2つの小さな衛星は球ではありません。長さ 27 km のフォボスは、クレーターだらけで平行な溝が刻まれた暗い岩の塊で、一方の端に大きなスティックニー・クレーターがあります。半分ほどの大きさのダイモスはなめらかで、クレーターはちりに埋もれてぼやけています。どちらも長い端をいつも火星に向けています。太陽を大きくズームすると、その表面が見えます。中心がいちばん明るく、縁に向かって暗く赤くなります。縁では温度の低い上層のガスしか見えないからです。表面は細かくまだらで、いくつかの黒点群が、25 日で1回転する太陽とともにゆっくり横切っていきます。土星の環は探査機カッシーニの観測に基づいています。暗く透けて見える C 環、明るい B 環、暗いカッシーニの間隙、エンケの間隙のある A 環があり、近づくと細かな溝が見えます。環には土星の影が落ち、日の当たらない側から見ると、濃い B 環は暗くなり、薄い環は日の光が透けてほのかに輝きます。近づくと、木星の雲はジュノーやハッブルが写したように渦巻いています。北赤道縞の縁には暗いホットスポットが並び、青灰色のフェストゥーンを引いています。約1万6000 km まで縮んだ大赤斑は、明るいくぼみの中で渦を巻き、そばには楕円 BA と白い楕円の列があります。両極には青灰色の嵐がひしめいています。近づくと、天王星の明るい極冠の縁には暗い帯があり、その外側にはいくつか小さな嵐が見えます。細く暗い環は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が見るように、かすかな細い線として現れ、ε環がいちばん明るく見えます。海王星の青は本当の色で、ボイジャー2号の画像の強調されたコントラストを戻すと、天王星より少しだけ深い、柔らかな空色です。近づくと、高い白い雲がかすかな影を落とし、南極の上には明るい渦があり、ほのかな塵の環が周りを回っています。アダムズ環には、環とともに回る明るい弧があります。近づくと、水星は探査機メッセンジャーが描いた地図のとおりに見えます。山に囲まれた、なめらかで明るい底をもつ巨大なカロリス盆地、遠い北のなめらかな平原、惑星が冷えて縮んだときにできた長い崖、そして岩石が蒸発してできた明るく青みがかった窪地です。金星の雲は肉眼ではほとんど模様がないように見えるので、模様はうっすらと描いています。紫外線カメラがとらえる暗いY字模様、弓なりの筋、赤道付近のまだらな対流セル、そして両極を囲む明るい襟のような帯です。近づくと、月の海はぎざぎざの岸でつながり合い、溶岩流ごとに少しずつ色合いが違います。静かの海のようにチタンの多い所はわずかに青みがかっています。プラトンとグリマルディは底が暗く、東の海の山の輪は西の縁に的のような模様を描いています。

準惑星とカイパーベルト

冥王星は 1930 年の発見から 2006 年まで第9惑星とされていましたが、2006 年に国際天文学連合によって準惑星に分類されました。冥王星があるのはカイパーベルト、つまり海王星の軌道の外側にある氷の天体の領域です。カイパーベルト天体は氷と岩でできた小さな天体で、太陽系の初期の名残です。ミニ太陽系の冥王星は本物の軌道をたどります。離心率 0.25、傾き 17° で、近日点は海王星の軌道のすぐ内側です。海王星が3周する間に冥王星は2周し、この 3:2 の共鳴が両者を遠く引き離しています。冥王星最大の衛星カロンは本物の質量（冥王星の約8分の1）をもつので、2つの天体はその間にある点の周りを回ります。軌道面も本物と同じく、ほぼ垂直に立っています。本物のカロンは 6.4 日で1周し、ここで計算するには速すぎるため、もっと外側に置いて冥王星の1年に約 50 周するようにしてあり、月と同じく 60 倍遠くに描いています。ほかの名前のある準惑星も JPL のデータに基づく本物の軌道をたどり、2026 年 6 月 9 日にいた位置から動き始めます。小惑星帯のケレス（距離は惑星と同じように縮めています）、カイパーベルトのハウメアとマケマケ、そして 44° 傾いた軌道で 97 AU まで遠ざかるエリスです。その周りを、本物のベルトに似せて作った 160 個のカイパーベルト天体が回ります。多くは太陽から 42〜48 AU のほぼ円軌道を回り、大きく傾いたものもあり、4分の1 は冥王星と同じ共鳴にあるプルチノです。海王星より外側では海王星の縮尺を保っているので、これらの軌道は海王星と比べた本来の周期を保ちます。冥王星とカロンを大きくズームすると、2015年にニュー・ホライズンズが見た姿が見えます。氷の平原スプートニク平原を含む冥王星の明るいハートと暗赤色のクトゥルフ領域、そして北極に赤みがかったキャップをかぶった灰色のカロンです。2つはいつも同じ面を向け合っています。ほかの準惑星も近くで見られます。探査機ドーンが見たとおりの、暗くクレーターだらけのケレスと、オッカトル・クレーターの明るい塩の斑点。暗赤色の斑点がある氷の「卵」で、細い環の内側を 3.9 時間で自転するハウメア。赤褐色のマケマケ。そしてほぼ真っ白で、太陽系で最も明るい天体の一つであるエリスです。カイパーベルト天体は本物どおりに描かれています。色は灰色から濃い赤まであり、どれも暗い色です。1つに大きくズームすると、でこぼこの小さな世界や、2019年にニュー・ホライズンズが近くを通過したアロコスのように2つの塊がくっついた姿が見えます。

木星のガリレオ衛星

ガリレオ・ガリレイは 1610 年に木星の4つの大きな衛星を初めて見ました。4つを合わせると、木星の衛星系の質量のほぼすべてになります。イオは太陽系で最も火山活動が活発な天体で、木星の潮汐で熱せられています。エウロパのなめらかな氷の地殻の下には、液体の水の海が隠れているとみられます。ガニメデは太陽系最大の衛星で、惑星の水星よりも大きく、自らの磁場をもつことが知られている唯一の衛星です。カリストは氷と岩でできた、クレーターだらけの古い表面をもち、その下に海があるかもしれません。ミニ太陽系では、4つは本物の質量をもち、木星の赤道面を回ります。本物は 1.8〜16.7 日で1周し、ここで計算するには速すぎるため外側に置いていますが、本物の距離の比は保っているので、エウロパが1周する間にイオは今も2周し、ガニメデが1周する間に4周します。これがラプラス共鳴です。14 倍遠くに描いています。近くまでズームすると、探査機ガリレオが見た姿が見えます。硫黄で黄色く、両極は赤褐色で、暗い火山が点在し、そのいくつかは赤い輪に囲まれたイオ。赤みがかった割れ目が走る、明るい氷のエウロパ。明るい溝状の地形のあいだに古い暗い地域が広がり、両極を霜が覆うガニメデ。そして環状の盆地ヴァルハラのまわりにクレーターがひしめく、暗いカリスト。どれもいつも同じ面を木星に向けています。

よくある質問

太陽の質量は現実的ですか？

ミニ太陽系では太陽が 1000、木星が 1 です。実際の木星は太陽の約 1/1047 なので、この比は近い値です。月は本物と同じく、質量が地球の 1/81 で、地球と太陽の距離の 1/389 のところを回ります。これでは地球に近すぎて見えないので、60 倍遠くに描いています。火星には2つの小さな衛星フォボスとダイモスがあり、本物の質量をもって、地球の軌道に対して 26.7° 傾いた火星の赤道面を回ります。本物は 7.7 時間と 30 時間で1周し、ここで計算するには速すぎるため外側に置いていますが、本物の距離の比は保っているので、ダイモスが1周する間にフォボスは今も4周します。どちらも 120 倍遠くに描いています。土星最大の衛星タイタンは、濃い大気をもつ唯一の衛星で、本物の質量をもち、土星の赤道面、つまり環と同じ面を回ります。本物のタイタンは 16 日で1周するので、これも外側に置き、12 倍遠くに描いています。海王星最大の衛星トリトンは、海王星の自転と逆向きに公転しており、カイパーベルトから捕獲された天体だと考えられています。本物の質量をもち、軌道も本物と同じく地球の軌道に対して 130° 傾いていますが、本物のトリトンは 5.9 日で1周するので、これも外側に置き、30 倍遠くに描いています。天王星は横倒しになっているので、衛星ミランダ、チタニア、オベロンは、地球の軌道に対して 98° 傾いた、ほぼ垂直な面を回ります。本物の質量をもっています。チタニアとオベロンは本物の間隔を保ち、オベロンは3分の1遠くにあります。本物は 8.7 日と 13.5 日で1周するので、これらも外側に置いています。いちばん内側のミランダはわずか 1.4 日で1周するので、本物よりチタニアに近い位置にあります。3つとも 50 倍遠くに描いています。

惑星は今いる位置から動き始めますか？

準惑星はそうです。JPL の軌道要素をもとに、2026 年 6 月 9 日にいた位置から動き始めます。惑星は太陽の周りの決まった位置から、ほぼ円の軌道で動き始めるので、図が見せるのは今夜の空ではなく、惑星の動き方です。

PictorX はシミュレーションをアップロードしますか？

いいえ。ブラウザー内のキャンバスで動きます。「保存」で PNG をダウンロードし、「編集」でその画像を PictorX エディターで開きます。

なぜ冥王星はもう惑星ではないのですか？

2006 年、国際天文学連合は惑星を、太陽の周りを回り、自分の重力で丸くなるだけの質量があり、軌道の周辺からほかの天体を一掃した天体と定めました。冥王星は最初の2つを満たしますが、その領域をカイパーベルト天体と共有しているため、今は準惑星です。このアプリでは、冥王星もほかの天体と同じくニュートンの法則に従います。