夜空に浮かぶ月には、ウサギの姿にも見える模様があります。三日月や満月など、月の形が変わっても、見えている模様はほとんど変わりません。
しかし、月も地球も自転しています。両方が回転しているなら、月の裏側が見える日もありそうです。
いつも同じ月面が見える理由は、月の自転と公転の周期がそろっているためです。月は地球の周りを1周する間に、ちょうど1回自転しています。
月の動きを決めた「潮汐ロック」の仕組みと、地球が回っていても月の裏側が見えない理由を解説します。
潮汐ロックとは？月が地球に同じ面を向け続ける仕組み
潮汐ロックとは、天体同士の重力の影響によって、自転の動きが公転の動きと一定の関係になる現象です。
月は自転と公転の周期が同じため、地球にほぼ同じ面を向け続けています。
月のような状態は「同期自転」と呼ばれ、潮汐ロックの代表的な例です。
月の自転と公転にかかる時間を並べると、関係がわかりやすくなります。
| 月の動き | 動きの意味 | 1回にかかる時間 |
|---|---|---|
| 自転 | 月自身が回転する | 約27.3日 |
| 公転 | 月が地球の周りを1周する | 約27.3日 |
月は地球の周りを移動しながら、地球を向くように少しずつ回転しています。半周したときには半回転し、1周したときには1回転を終えます。
月の模様がほとんど変わらないのは、月の回転が止まっているからではありません。自転と公転がそろっているためです。
潮汐ロックした月の動きは、椅子の周りを歩くとわかる
月の動きは、部屋の中央に置いた椅子を地球に見立てると理解しやすくなります。
椅子に顔を向けたまま、椅子の周りをぐるりと歩いてみてください。横歩きで移動すると、顔はずっと椅子の方を向きます。
ただし、部屋の壁を基準にすると、体の向きは変わっています。出発した場所と反対側まで進むと、顔の向きも出発時から180度変わります。元の場所まで戻ると、体も360度回転したことになります。
椅子から見れば、歩いている人の顔がずっと見えます。一方、部屋全体から見れば、歩いている人は1周する間に1回転しています。
月も同じように、地球へ同じ面を向け続けながら自転しているのです。
月が自転していなければ裏側も見える
反対に、特定の壁へ顔を向けたまま、椅子の周りを歩くとどうなるでしょうか。
椅子から見える体の部分は、顔、横顔、背中というように変わります。
月が遠くの星に対して向きを変えず、自転しないまま地球の周りを公転していた場合も、地球から見える月面は少しずつ変わります。地球から月の裏側を見られる時期も生まれるのです。
「同じ面が見えるから回っていない」と感じやすいものの、同じ面を向け続けるには、月自身の回転が必要になります。
地球も自転しているのに同じ月面が見える理由
地球の自転は、地上の観測者が向いている方向を変えます。月のどの面が地球を向くかを決める動きとは別です。
地球が自転すると、日本などの地表の各地点は、月が見える向きへ移動したり、月が地平線の下になる向きへ移動したりします。月が空を移動して見える主な理由も、地球の自転です。
しかし、日本から見ても、遠く離れた外国から見ても、観測者は地球上にいます。地球上を移動するだけでは、月の反対側へ回り込めません。
月は地球の中心方向にほぼ同じ面を向けているため、地球上の広い地域から共通した月面が見えます。
整理すると、地球と月の回転は、見え方に次のような影響を与えます。
| 天体の動き | 月の見え方との関係 |
|---|---|
| 地球の自転 | 月が空を移動し、昇ったり沈んだりして見える主な原因 |
| 月の自転と公転の同期 | 地球からほぼ同じ月面が見える原因 |
なお、観測する地域や時刻によって、月の模様の傾きは変わります。南半球では、日本とは大きく向きが違って見える場合もありますが、月の裏側が見えているわけではありません。
月が潮汐ロックした理由は地球の重力
月の自転と公転がそろった背景には、地球の重力による「潮汐力」があります。
潮汐力とは、天体の場所によって受ける重力に差があるために、天体を引き伸ばすように働く力です。
月の地球に近い側は、地球から遠い側よりも強く引かれます。月全体が同じ強さで引かれるわけではないため、月は地球と結ぶ方向にわずかに引き伸ばされます。
潮汐力は海のない天体にも働く
「潮汐」という名前から、海の満ち引きだけを想像するかもしれません。しかし、潮汐力は岩石でできた天体にも働きます。
硬い岩石も、大きな力を受ければわずかに変形します。月にも地球の重力による変形が起こります。
月が現在より速く自転していた時代には、月の各部分が受ける変形も、自転に伴って変化していました。
月の変形と内部の摩擦が自転を遅くした
月の変形には応答の遅れがあるため、自転が公転より速い場合、引き伸ばされた部分の向きは地球の方向からずれます。
ずれた部分に地球の重力が働くと、月の自転にブレーキをかける作用が生まれます。同時に、変形に伴う内部の摩擦などによって、自転のエネルギーの一部が熱へ変わります。
長い時間をかけて月の自転は遅くなり、地球を1周する間に1回自転する状態へ落ち着きました。
自転と公転の一致は、偶然ぴったり合った結果ではありません。重力と天体内部の働きが、月の回転を変えてきた結果です。
潮汐ロックした月でも見える範囲は少し変わる
月は地球にほぼ同じ面を向けていますが、見える範囲が完全に固定されているわけではありません。
長い期間にわたって観測すると、地球から確認できる範囲は、月面全体の約59％に達します。ただし、約59％を一度に見られるという意味ではありません。
見える範囲が少し変わる現象は、「秤動（ひょうどう）」と呼ばれます。
月の公転速度の変化で端の部分が見える
月の軌道は完全な円ではなく、わずかにつぶれた楕円です。月が地球の周りを移動する速さは、地球との距離によって変化します。
一方、月の自転はほぼ一定の速さです。公転の進み方と自転の進み方に一時的なずれが生じるため、地球からは月が左右に首を振るように見えます。
さらに、月の自転軸の傾きなどによって、北側や南側も少しずつ見える範囲が変わります。
潮汐ロックは、月がまったく揺れずに固定されている状態ではありません。ほぼ同じ面を向けながら、端の部分が少しずつ見え隠れしています。
潮汐ロックと月の満ち欠けは別の仕組み
月が三日月や半月になるのは、地球へ向ける面が変わるためではありません。太陽に照らされた部分のうち、地球から見える割合が変わるためです。
月は太陽の光を反射して輝いています。地球、月、太陽の位置関係が変わると、明るい部分の見え方も変わります。
満月では、地球を向く側のほぼ全体に太陽の光が当たっています。三日月では、地球から見える面のうち、細い範囲だけが明るく見えます。
同じ月面を見ていても、照明の当たる方向が変われば、明るく見える形は変化するのです。
月の約27.3日と満ち欠けの約29.5日が違う理由
月の公転周期は約27.3日ですが、新月から次の新月までは約29.5日かかります。
日数が違う理由は、月が地球の周りを回っている間に、地球も太陽の周りを移動しているためです。
月が遠くの星を基準に1周しても、太陽との位置関係は元に戻っていません。同じ満ち欠けになるには、月がさらに少し進む必要があります。
月の自転と公転がそろう周期と、満ち欠けが繰り返される周期は、基準が異なります。
潮汐ロックしていても月の裏側には昼が来る
月の「裏側」は、地球から見えない側という意味です。太陽の光が届かない側という意味ではありません。
月は地球に同じ面を向けながら、太陽に対する向きを変えています。そのため、月の裏側にも昼と夜があります。
たとえば、新月のころには、地球から見える側が主に夜になり、裏側の広い範囲が太陽に照らされています。満月のころには、地球から見える側の広い範囲が昼になります。
月の表側と裏側は、地球を基準にした呼び方です。昼側と夜側は、太陽の光を基準にした呼び方なので、区別すると理解しやすくなります。
地球も月に潮汐ロックされている？
現在の地球は、月に対して同じ面を向け続けていません。
地球は約1日で自転し、月は約27.3日で地球の周りを公転しています。地球の自転周期と月の公転周期は、そろっていないためです。
月の地球を向く側から観測すると、地球の大陸や海が自転によって次々に見えてきます。
ただし、月の重力は地球にも潮汐を起こし、地球の自転を長期的に遅くする働きをしています。月が潮汐ロックした後も、地球と月は重力を通じて互いの動きに影響を与え続けています。
月の同じ模様が見える理由は、月が地球の周りを1周する間に、月自身も1回転しているためです。夜空の月は、止まった顔を見せているようで、地球へ向きを合わせながら回り続けています。
