彗星や小惑星は丸くないのに、なぜ星や惑星、月は丸いのだろうか?

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惑星、星、月はすべて丸いのに、小惑星や隕石などの大小の物体はなぜ不規則な形をしているのか?

– ライオネル・ヤング、74歳、タスマニア州ローンセストン

(英語)

これは素晴らしい質問ですね、ライオネルさん。

私たちが太陽系を見渡すと、小さなチリの粒から巨大な惑星や太陽まで、さまざまなサイズの物体が見えます。それらの物体に共通するテーマは、大きなものは(多かれ少なかれ)丸く、小さなものは不規則であるということです。しかし、なぜでしょう?

太陽系内のさまざまな小天体の縮尺。大きいものは丸いが、小さいものはそうではない。Wikipedia/Antonio Ciccolella

重力:大きなものを丸くする鍵…

なぜ大きなものが丸いのか、その答えは重力の影響に集約されます。物体の引力は、常にその質量の中心に向かっています。何かが大きければ大きいほど、その質量は大きくなり、重力も大きくなります。

固体の物体の場合、その力は物体自体の強さによって対抗されます。例えば、地球の重力による下向きの力は、あなたを地球の中心に引き込むことはありません。それは、地面があなたを押し上げているからで、あなたを沈ませるには、地面の力が強すぎるのです。

しかし、地球の力には限界があります。エベレストのような大きな山が、地球のプレートが押し合うことでどんどん大きくなっていく様子を想像してみてください。エベレストの高さが増すにつれ、その重さも増していき、沈み始めます。余分な重量は山を地球のマントルに押し下げ、高くなるのを制限します。


地球上の山の高さはどのくらいになるのでしょうか?

地球がすべて海でできているとしたら、エベレストは地球の中心に向かって沈んでいくでしょう(通過する水を押しのけて)。水の量が異常に多いところは、地球の重力に引っ張られて沈みます。水が異常に少ない場所は、他の場所から移動してきた水で埋められ、その結果、この架空の海の地球は完全な球形になるのです。

しかし、実際のところ、重力は驚くほど弱いものです。物体が作られている素材の強度に打ち勝つほどの強い重力を発揮するには、よほど大きくなければなりません。したがって、直径が数メートルから数キロメートルの小さな固体は、重力が弱すぎて、球形に引き込むことができません。

ちなみに、自分の重力で球形に崩れることを心配する必要がないのは、このためです。あなたの体は、そのようにするために発揮する小さな重力に対して、あまりにも強すぎます。

静力学的平衡に到達する

物体が十分に大きくなって重力が勝るようになると (物体が作られている材料の強度に勝ると)、物体のすべての材料を球形に引き込む傾向があります。物体の高すぎる部分は下に引っ張られ、その下の物質を移動させ、低すぎる部分は外側に押し出されます。

そのような球形に達したとき、物体は「静力学的平衡」にあると言います。しかし、静力学的平衡を得るためには、物体はどのくらいの重さが必要なのでしょうか?それは、物体が何でできているかによります。液体の水だけでできた物体は、水の分子が簡単に動き回るため、基本的には強度がないので、とても簡単に平衡状態を保つことができます。

一方、純粋な鉄でできた物体は、その重力が鉄の固有の強さに打ち勝つためには、はるかに巨大でなければなりません。太陽系では、氷のような物体が球状になるために必要な閾値の直径は少なくとも400キロメートルで、主により強い素材でできた物体の場合、閾値はさらに大きくなります。

土星の衛星「ミマス」は、「デス・スター」のような形をしていますが、直径396kmの球形をしています。

土星の衛星「ミマス」は、「デス・スター」のような形をした球体で、直径は396km。

探査機カッシーニが撮影した土星の衛星ミマスは、重力によって球状になるのがやっとの大きさだ。ミマスが「デス・スター」のように見える広大なクレーター「ハーシェル」は、ミマスが破壊されそうなほど大きな衝撃を受けた痕跡です。NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

常に動いている

しかし、すべての物体が空間を回転したり、転がったりする傾向があることを考えると、事態はより複雑になります。物体が回転している場合、その赤道(2つの極の中間点)にある場所は、極の近くにある場所に比べて、事実上、わずかに重力が弱くなっています。

その結果、静力学的平衡状態で期待される完全な球形は、「扁平球形」と呼ばれる形に変化し、物体は極よりも赤道の方が広くなるのです。これは、回転している私たちの地球にも当てはまり、赤道の直径は12,756km、極の直径は12,712kmとなります。

この効果は、宇宙空間にある物体の回転速度が速ければ速いほど、より劇的に現れます。水よりも密度の低い土星は、10時間半ごとに自転しています(地球の24時間周期に比べて遅い)。その結果、土星は地球よりもずっと球形ではなくなっています。

土星の赤道面の直径は120,500km強で、極面の直径は108,600km強です。その差は約12,000kmにもなります。

カッシーニ探査機が2017年9月に撮影した、土星とその衛星の最後の広視野モザイクは、巨大な惑星がいかに扁平であるかを実感させてくれます。NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

さらに極端な星もあります。冬の間、オーストラリアから北の空に見える明るい星「アルタイル」も、そんな奇妙な星のひとつです。この星は、約9時間に1回自転しています。その速さは、赤道の直径が極の距離よりも25%も大きいほどです。

簡単な答え

このような質問は、詳しく調べれば調べるほど、より多くのことがわかります。しかし、簡単に答えると、大きな天体が球状 (またはほぼ球状) である理由は、それらが十分な質量を持っているため、その重力が、それらが作られている材料の強度に打ち勝つことができるからです。

この記事は、専門家に答えてもらいたい質問を読者が投稿するシリーズ「I’ve Always Wondered」の一記事です。質問は[email protected]までお送りください。

Images used courtesy of Pexels/Janik Butz

この記事は、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスの下、The Conversationから転載されています。オリジナルの記事を読む

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