地球には最大いくつの「月」があるのでしょうか?

地球は既知の宇宙で生命が存在する唯一の天体であり、月は地球の唯一の天然衛星です。

天文学者の観測によれば、地球には天然の衛星が 1 つ、火星には 2 つ、水星と金星には衛星がないが、木星や土星など太陽系の他の巨大惑星には数十の天然衛星がある。

考えてみてください。地球には最大でいくつの「月」があるでしょうか?

言い換えれば、地球のような惑星には「月」と同じ大きさの天然衛星が最大でいくつあるのでしょうか?

上記の質問に対して、3 人の物理学者によって行われた新しい研究は、 3-7 という答えを示しました。

具体的な数値は天然衛星の質量によって異なります。

図 |地球を周回する 3 つの「月」質量の衛星の概略図。惑星と衛星のサイズはスケールに基づいて計算され、衛星は安定境界の間に制約されます。

「地球質量の惑星の周囲に月を詰め込む」と題された関連研究論文が、プレプリントウェブサイトarXivに掲載されている。テキサス大学アーリントン校（UTA）の非常勤助教授であるスマン・サティアル氏がこの論文の第一著者である。

「太陽系の惑星のほとんどには複数の衛星がある」とサティアル氏は言う。 「特に、木星や土星のような巨大惑星には約80個の衛星があります。しかし、岩石惑星の中では、火星には2つの衛星があり、地球には1つの衛星があります。これらの違いは、形成メカニズムと軌道進化プロセスの違いに関連している可能性があります。」

この研究で、研究チームは一連のN体シミュレーション（近似粒子運動）を使用して、地球または同等の質量を持つ太陽系外惑星が軌道上に持つことができる衛星の数を定量化しようとしました。

研究チームは、軌道体の内側（ロッシュ半径）と外側（ヒル半径）の安定限界の間に、複数の衛星のN体シミュレーションを設定しました。

理論的には、衛星がロッシュ半径内を周回する場合、その衛星はホスト惑星の潮汐力によって破壊されます。ヒル半径の外側を周回すると、ホスト惑星の重力場から逃れることになります。

「しかし、数値的研究により、実際の安定限界はロッシュ半径の2倍以内、つまりヒル半径の約半分であることがわかった」とサティアル氏は語った。 「そこで、私たちはこれらの制限された範囲内で複数の衛星（最大9個）のシミュレーションを開始し、シミュレーション時間の最後までそのうちの何個が『生き残る』かを調べました。」

写真: スマン・サティヤル、マリアリス・ロザリオ＝フランコ、ビリー・クォールズ。

研究チームは、軌道安定性の制約を計算するためのプロトタイプ質量として、ケレス、冥王星、月と同じ質量を持つ衛星を使用しました。彼らは、地球質量の太陽系外惑星を、月質量の衛星 3 個、冥王星質量の衛星 4 個、ケレス質量の衛星 7 個が周回できることを発見しました。

「私たちのモデルは太陽系の他のすべての惑星の重力の影響を無視している」と、論文の著者の一人であり、バルドスタ州立大学の天文学および物理学の助教授であるビリー・クォールズ氏は述べた。 「これは太陽系の外を見るときに重要です。なぜなら、候補となる惑星が 1 つしかない系がたくさんあるからです。現在、系外衛星候補は 2 つありますが、どちらも 1 天文単位 (約 1 億 5000 万キロメートルまたは 9300 万マイル) の距離にある木星のような惑星を周回しています。」

数十の系外衛星が存在する可能性のある太陽系外惑星は約 5,000 個知られていますが、現在までに確認された系外衛星は発見されていません。サティアル氏は、この検出されない観察には他の制約や限界があると考えています。

サティアル氏は、この研究結果が「それぞれの居住可能領域における地球のような衛星の存在を制限するもの」であるため、将来の宇宙観測に重要な意味を持つと考えている。

また、最近打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のように、望遠鏡の感度が上がると、トランジット法（恒星の光の深さを測定する）を適用して系外衛星を検出できるようになるかもしれません。地球のような岩石惑星は複数の衛星を持つ可能性があるため、発見される可能性が高まります。

さらに、地球に似た惑星の周りを回る太陽系外惑星の探索が続く中、この研究は科学者が惑星が持つ衛星の数を予測するための上限値を提供するかもしれない。

さらに、この研究は、SF映画やその他のメディアにおける太陽系外惑星の描写に文化的な影響を与える可能性があります。

「調査を行っていたとき、スターゲイトを見て、チームが向かっていた銀河系の太陽系外惑星に3つの衛星があることに気付きました。『アバター』のパンドラや『スターウォーズ』の森の衛星エンドアなど、多くの映画で太陽系外惑星の存在の可能性が描かれています。」 「私たちの研究は、将来の研究をより天文学的に正確なものにするのに役立つだろう」とクオールズ氏は語った。

参考リンク:

https://arxiv.org/abs/2208.03604