太陽系の発見と探査

さまざまな天文学者、特に精密な観測にアクセスできる天文学者は、地球中心説に懐疑的で、惑星と地球が太陽の周りを公転するという太陽中心説など、代替案を提案した。多くの提案は、その地域の文化圏外には広まらなかったか、その地域で支配的になることはなかった。サモスのアリスタルコスは古代ギリシャで太陽中心説について推測していた。マルティアヌス・カペラは中世初期に、水星と金星は太陽の周りを公転し、月、太陽、その他の惑星は地球の周りを公転すると教えた。^{[ 10 ]}アル・アンダルスでは、アルザケルが水星が太陽の周りを公転すると提案し、太陽中心説の天文学者はペルシャのマラガ学派で活動していた。ケララを拠点とする天文学者ニラカンタ・ソマヤジは、惑星が太陽の周りを公転し、太陽、月、星が地球の周りを公転するという地太陽中心説を提案した。

最後に、ポーランドの天文学者ニコラウス・コペルニクスは、惑星と地球が太陽の周りを公転し、月が地球の周りを公転するというコペルニクスの地動説と呼ばれる体系を完全に発展させました。この理論はデンマークの天文学者ティコ・ブラーエにも知られていましたが、彼はそれを受け入れず、独自の地球中心説であるティコ・ブラーエの体系を提唱しました。ブラーエは、より正確な観測を数多く行いました。ドイツの自然哲学者ヨハネス・ケプラーは、当初、キリスト教の解釈とムジカ・ユニバーサリスとして知られる古代の音楽共鳴理論に沿って、コペルニクスの体系とプラトン立体を組み合わせようとしました。ブラーエの助手になったケプラーは、観測を引き継ぎ、火星の軌道を数学的に分析するように指示されました。多くの失敗の後、彼は最終的に、惑星が太陽の周りを楕円軌道で運動しているという画期的な発見をしました。彼は1609年から1619年にかけて、現在ケプラーの惑星運動の法則として知られる法則を定式化し、発表した。これは天文学者の間で主流のモデルとなったが、天球モデルと同様に、この運動が起こる物理的なメカニズムはやや謎に包まれており、様々な理論が提唱された。

新しい理論が世界中に広まるには時間がかかりました。例えば、大航海時代がすでに始まっていた頃、アメリカの天文学思想は古いギリシャの理論に基づいていましたが^{[ 11 ]}、1659年までに西ヨーロッパの新しい考え方が文書に現れ始めました^{[ 12 ]。}

望遠鏡の発明は天文学に革命をもたらし、肉眼では見ることのできない太陽、月、惑星の細部を観察することを可能にした。望遠鏡は1608年頃にオランダで登場し、ヨーロッパの天文学愛好家や研究者の間で急速に普及し、天体観測に用いられるようになった。

イタリアの博学者ガリレオ・ガリレイは初期のユーザーであり、金星の満ち欠けなど多くの発見をしました。これはプトレマイオス体系における球体の配置を決定的に否定するものでした。ガリレオはまた、月にはクレーターがあり、太陽には黒点があり、木星には4つの衛星が周回していることも発見しました。^{[ 13 ]}クリスティアーン・ホイヘンスはガリレオの発見に続き、土星の衛星タイタンと土星の環の形状を発見しました。^{[ 14 ]}ジョヴァンニ・ドメニコ・カッシーニは後に土星のさらに4つの衛星と土星の環のカッシーニの割れ目を発見しました。^{[ 15 ]}

1677年頃、エドモンド・ハレーは水星の太陽面通過を観測し、惑星の太陽視差（より理想的には金星の太陽面通過）の観測を用いて、地球、金星、太陽間の距離を三角法で決定できることに気づいた。 ^{[ 16 ]} 1705年、ハレーは彗星の繰り返し観測が同じ天体を記録しており、75～76年ごとに定期的に戻ってくることに気づいた。これは惑星以外の何かが太陽の周りを公転しているという最初の証拠であったが、^{[ 17 ]}これは1世紀にセネカによって彗星について理論化されていた。^{[ 18 ]} 1704年頃、「太陽系」という用語が英語で初めて登場した。^{[ 19 ]}

イギリスの天文学者で数学者のアイザック・ニュートンは、偶然にも物体の落下速度に関する最近の科学的研究に基づいて、ライバルのロバート・フックがケプラーの法則の証明を主張したことに触発された。ニュートンは、太陽系内のすべての天体の間に質量に比例する重力が働き、距離に対して逆二乗の法則が成り立つという仮説を立てることで、惑星の運動を説明することができた。これがニュートンの万有引力の法則である。ニュートンの1687年の著書『自然哲学の数学的原理』では、この法則とニュートンの運動法則が説明され、天文学的現象と地球上の現象に対する統一的な説明が初めて提供された。これらの概念は古典力学の基礎となり、その後の物理学の多くの分野における進歩を可能にした。

この望遠鏡によって、肉眼では見えない天体を初めて検出することが可能になった。しかし、初期の機器の倍率が低いこと、一度の観測でカバーできる空の領域が狭いこと、そして異なる夜に複数回行った観測結果を比較する作業が必要となるなど、様々なロジスティクス上の問題があったため、これを実現するには時間がかかった。

1781年、ウィリアム・ハーシェルはおうし座で連星を探していたところ、新しい彗星と思われる天体を観測した。その軌道から、それは新しい惑星である天王星であることが判明し、望遠鏡で発見された最初の惑星となった。^{[ 20 ]}

ジュゼッペ・ピアッツィは1801年に火星と木星の間にある小さな天体、ケレスを発見した。当初は惑星と考えられていたが、その後同じ領域で他の小さな天体が発見されたため、ケレスと他の天体は最終的に小惑星に再分類された。^{[ 21 ]}

1846年までに、天王星の軌道の不一致から、多くの人々は、はるか遠くから大きな惑星が天王星を引っ張っているに違いないと疑うようになった。ジョン・アダムズとウルバン・ルヴェリエの計算は、最終的に海王星の発見につながった。^{[ 22 ]}水星の軌道の過剰な近日点歳差運動により、ルヴェリエは1859年に水星の内側の惑星バルカンを仮定したが、それは存在しないことが判明した。過剰な近日点歳差運動は最終的にアインシュタインの一般相対性理論によって説明され、この理論は大規模な重力の最も正確な記述としてニュートンの理論に取って代わった。

やがて、 1787年にハーシェルによって天王星の周りで^{[ 23 ]} 、 1846年にウィリアム・ラッセルによって海王星の周りで^{[ 24 ]}、 1877年にアサフ・ホールによって火星の周りで^{[ 25 ]}、新たな衛星が発見された。

外惑星の軌道にさらに明らかな矛盾が見られたため、パーシバル・ローウェルは、海王星のさらに外側に「惑星X 」と呼ばれる別の惑星が存在するに違いないと結論付けた。彼の死後、ローウェル天文台は探索を行い、最終的に1930年にクライド・トンボーが冥王星を発見するに至った。しかし、冥王星は外惑星の軌道を乱すには小さすぎることが判明し、その発見は偶然であった。ケレスと同様に、冥王星も当初は惑星と考えられていたが、その周辺に同様の大きさの天体が多数発見された後、2006年に国際天文学連合によって準惑星に再分類された。^{[ 22 ]}

1668年、アイザック・ニュートンは、この種のものとしては最初の完全な機能を持つ反射望遠鏡を自作 し、色収差のない球面収差を低減したため、将来の発展のランドマークとなった。^{[ 26 ]}今日、世界で最も強力な望遠鏡のほとんどはこのタイプである。

1840年、ジョン・W・ドレーパーは月をダゲレオタイプで撮影し、これが最初の天体写真となった。 ^{[ 27 ]}それ以来、天体写真は天体の観測研究における重要なツールとなっている。

分光法は、物質が放出する光によって物質を研究することを可能にする方法であり、^{[ 28 ]} 1835年から1860年頃にチャールズ・ホイートストン、^{[ 29 ]}レオン・フーコー、^{[ 30 ]}アンデルス・ヨナス・アングストローム^{[ 31 ]}らによって開発されました。ロベルト・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフは分光器をさらに発展させ、地球と太陽の化学元素の同定の先駆者として使用しました。^{[ 32 ]} 1862年頃、アンジェロ・セッキ神父は太陽分光器を開発し、太陽と星の両方を研究し、それらが本質的に同じ種類のものであることを識別できるようにしました。^{[ 33 ]} 1868年、ジュール・ヤンセンとノーマン・ロッキヤーは、地球では知られていない太陽の新元素ヘリウムを発見しました。ヘリウムは現在、太陽光球の質量の23.8%を占めています。^{[ 34 ]}今日では、分光器は天体の化学組成を知るための重要なツールとなっている。

20世紀半ばまでに、レーダー、電波天文学、宇宙航行学といった、リモートセンシングと観測のための新たな重要な技術が登場した。

古代には、いわゆる「恒星球」、つまり地球を中心とした巨大なドーム状の構造物または天球が全宇宙の境界であり、地球の周りを毎日回転しているという一般的な信念がありました。ヘレニズム天文学から中世にかけて、そのような球の推定半径はますます大きくなり、想像を絶する距離にまで達しました。しかし、ヨーロッパのルネサンス期には、そのような巨大な球が地球の周りを 360° 1 回回転するのに 24 時間しかかからないというのはあり得ないと考えられており、^{[ 35 ]}この点が、ニコラウス・コペルニクスが何世紀にもわたる地球中心説を捨てる論拠の 1 つです。

16世紀には、トーマス・ディッグス^{[ 36 ]} 、ジョルダーノ・ブルーノ^{[ 37 ]} 、ウィリアム・ギルバート^{[ 35 ]}など、コペルニクスに影響を受けた多くの著述家が、遠くの太陽のような他の星々が存在する、無限に広がる、あるいは無限の宇宙を主張し、恒星を中心としたアリストテレスの天球説を否定する道を開いた。

ガリレオ・ガリレイは望遠鏡で空と星座を調べた結果、研究され地図に示された「恒星」は肉眼では見えない広大な宇宙のごく一部に過ぎないと結論づけた。^{[ 38 ]}また、彼は望遠鏡を天の川の淡い帯に向け、それが無数の白い星のような点に分解されることを発見した。おそらくそれらはさらに別の星々であろう。^{[ 39 ]}

「太陽系」という用語は、1704年にジョン・ロックが太陽、惑星、彗星全体を指す言葉として使用した時点で英語に入っていた。^{[ 40 ]}その頃には、惑星が別の世界であることは疑いの余地なく確立されており、したがって恒星は遠く離れた別の太陽であり、太陽系全体は実際には非常に大きな宇宙のごく一部にすぎないということになっていた。

太陽系が真に「発見」された時期については議論の余地があるものの、19世紀の3つの観測によって、その性質と宇宙における位置が疑いの余地なく確定した。まず、1835年から1838年にかけて、トーマス・ヘンダーソン^{[ 41 ]}とフリードリヒ・ベッセル^{[ 42 ]}は、地球の太陽の周回運動によって近くの星の位置がずれるという、2つの恒星視差の測定に成功した。これは、太陽中心説の直接的かつ実験的な証明であるだけでなく（ジェームズ・ブラッドリーは1729年に、星の光のずれの原因は地球の太陽の周回運動であることを発見して既に証明していた）^{[ 43 ]} 、太陽系と最も近い星との間の途方もない距離を初めて正確に明らかにした。そして1859年、ロベルト・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフは、新しく発明された分光器を用いて太陽のスペクトル特性を調べ、それが地球に存在するのと同じ元素で構成されていることを発見し、地球と地球から見える他の天体との間に物理的な類似性を初めて確立した。^{[ 44 ]}その後、アンジェロ・セッキ神父は太陽のスペクトル特性を他の星のスペクトル特性と比較し、それらがほぼ同一であることを発見した。^{[ 33 ]}太陽が恒星であるという認識は、他の恒星にも独自の惑星系が存在する可能性があるという科学的に更新された仮説につながったが、これは140年近く経ってから証明されることになった。

観測宇宙論は、ウィリアム・ハーシェルが当時知られていた宇宙の形状を記述しようと試みたことから始まった。1785年、彼は天の川銀河が円盤状であると提唱したが、その中心には太陽があると仮定した。この地動説は、1910年代にハーロー・シャプレーによるさらなる観測によって銀河中心が比較的遠い位置にあることが明らかになった後、銀河中心説によって覆された。

1992年、パルサーPSR B1257+12を周回する、太陽系以外の惑星系の最初の証拠が発見された。 3年後、太陽に似た恒星の周りを公転する最初の太陽系外惑星である51ペガシbが発見された。NASAは2022年3月、発見された系外惑星の数が、さまざまな種類と大きさの5,000個に達したと発表した。^{[ 45 ]}

また、1992年には、ハワイ大学の天文学者デイビッド・C・ジュイットとマサチューセッツ工科大学のジェーン・ルーがアルビオンを発見した。この天体は、後にカイパーベルトとして知られるようになる新たな天体群の最初のものであることが判明した。カイパーベルトとは、冥王星やカロンなどの天体が属する小惑星帯の氷の類似体である。^{[ 46 ] [ 47 ]}

マイク・ブラウン、チャド・トルヒーヨ、デビッド・ラビノウィッツのチームは、 2002年に海王星横断天体（TNO）クワオアー^{[ 48 ]} 、 2003年にセドナ[49]、2004^{年にオルクス}とハウメア[ 50 ^{] [ 51 ]、2005}年にマケマケ^{[ 52 ]}を発見した。これらは最も注目すべきカイパーベルト天体（KBO）の一部であり、現在では準惑星とみなされているものもある。また、2005年には、当初冥王星よりも大きいと考えられていた散乱円盤天体エリスの発見を発表した。エリスは海王星以来、太陽の周りを公転する天体として発見された最大のものとなるはずだった^{[ 53 ]} 。2015年7月のニュー・ホライズンズによる冥王星フライバイにより、冥王星のより正確な測定が行われ、エリスよりわずかに大きいが質量は小さいことがわかった。

太陽系内の他の天体へのフライバイに初めて成功した探査機は、1959年に月を通過した ルナ1号でした。当初は月への衝突を目的としていましたが、目標を外れ、太陽を周回する最初の人工物体となりました。マリナー2号は、1962年に金星を通過した最初の惑星フライバイでした。火星への最初のフライバイは、 1965年にマリナー4号によって成功しました。マリナー10号は、1974年に初めて水星を通過しました。

外惑星を探査した最初の探査機はパイオニア10号で、1973年に木星をフライバイしました。パイオニア11号は1979年に土星を訪れた最初の探査機でした。ボイジャー探査機は1977年の打ち上げ後、外惑星のグランドツアーを行い、両探査機とも1979年に木星を、1980年から1981年にかけて土星を通過しました。その後、ボイジャー2号は1986年に天王星に、1989年に海王星に接近しました。2機のボイジャー探査機は現在、海王星の軌道のはるか外側にあり、終端衝撃波、ヘリオシース、ヘリオポーズの発見と研究を目指しています。NASAによると、両方のボイジャー探査機は太陽から約93AUの距離で終端衝撃波に遭遇しました。^{[ 66 ]} 

彗星の最初のフライバイは1985年に国際彗星探査機（ICE）がジャコビニ・ツィナー彗星を通過した際に起こった^{[ 67 ]。}一方、小惑星の最初のフライバイはガリレオ探査機によって行われ、木星に向かう途中で951ガスプラ（1991年）と243イダ（1993年）の両方を撮影した。

2006年1月19日に打ち上げられたニュー・ホライズンズ探査機は、カイパーベルトを探査する初の人工宇宙船です。この無人ミッションは2015年7月に冥王星をフライバイしました。ミッションは延長され、2019年の元旦に486958アロコスを近接フライバイするなど、他の多くのカイパーベルト天体を観測しました。 ^{[ 68 ]}

2011年現在、アメリカの科学者たちは、プルトニウム238の不足によって小惑星帯以遠の探査が妨げられることを懸念している。

1966年、月は地球以外の太陽系天体で初めて人工衛星（ルナ10号）の周回軌道に入り、続いて1971年に火星（マリナー9号）、1975年に金星（ベネラ9号）、1995年に木星（ガリレオ）、2000年に小惑星エロス（NEARシューメーカー）、2004年に土星（カッシーニ・ホイヘンス）、 2011年に水星とベスタ（それぞれメッセンジャーとドーン）が周回軌道に入った。ドーンは2015年から小惑星準惑星ケレスの周回軌道に乗っており、2023年現在もそこにいるが、2018年から活動を停止している。2014年にはロゼッタ探査機がチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星の周回軌道に入った。^{[ 69 ]}

太陽系の他の天体に着陸した最初の探査機は、1959年に月面に衝突したソ連のルナ2号探査機でした。それ以来、探査機はますます遠い惑星に到達し、1966年に金星（ベネラ3号）、1971年に火星（マーズ3号、ただし完全な着陸成功は1976年のバイキング1号まで実現しなかった）、2001年に小惑星エロス（NEARシューメーカー）、2004年に土星の衛星タイタン（ホイヘンス）、2005年に彗星テンペル1（ディープ・インパクト）、 2014年にチュリュモフ・ゲラシメンコ（フィラエ）に着陸または衝突しました。 ^{[ 70 ]}ガリレオ探査機も1995年に木星の大気に探査機を投下しました。これは、熱と圧力で破壊される前に、ガス惑星にできるだけ深く降下することを目的としていました。

2022年現在太陽系では、月、火星、リュウグウ^{[ 71 ]}の3つの天体が移動式探査車によって訪れられています。他の天体を訪れた最初のロボット探査車は、1970年に月面に着陸したソ連のルノホート1号でした。他の惑星を訪れた最初の探査車は、1997年に火星の表面を500メートル走行したソジャーナでした。太陽系で最初の飛行探査機は、1985年のベガ気球で、最初の動力飛行は2020年のインジェニュイティによって行われました。他の天体を訪れた唯一の有人探査車は、1971年から1972年にかけてアポロ15号、16号、17号とともに旅したNASAの月面探査車でした。

2022年、DART衝突体は小惑星ディディモスの衛星である準惑星ディモルフォスに衝突した。その目的は、太陽系天体の軌道を史上初めて意図的に（わずかに）ずらすことであり、実際にそれを達成した。^{[ 72 ]}

場合によっては、人間とロボットの両方の探査者が、訪れた天体から物理的なサンプルを採取し、地球に持ち帰ったことがある。その他の地球外物質は、隕石として自然に地球に飛来したり、人工衛星に付着したりしており、これらも太陽系の物質を研究するための標本となる。

• 月探査（アポロ計画、ルナ計画、嫦娥計画など、様々なミッション）。
• 小惑星 (はやぶさ、オシリスレックス、天文2号、はやぶさ2 )。
• 彗星の塵（星屑）。
• 太陽風（創世記）。

彗星、小惑星、月、太陽への探査ミッションに関するカテゴリも参照してください。