自然衛星

自然衛星とは、最も一般的な用法では、惑星、準惑星、または太陽系の小天体（あるいは場合によっては別の自然衛星）の周りを公転する天体のことです。自然衛星は、地球の自然衛星である月との類似性から、口語的には「月」と呼ばれます。英語では、大文字のMで始まるMoonは地球の衛星を指し、小文字のmで始まるmoonは自然衛星全般を指します。

太陽系には、軌道が確認されている自然衛星が合計455個存在する、 6つの惑星衛星系があります。天文学者によって準惑星とみなされている7つの天体、オルクス、冥王星、ハウメア、クワオアー、マケマケ、ゴンゴン、エリスにも自然衛星があることが知られています。^{[ 1 ]}上記の7つを含め、自然衛星を持つことが知られている小惑星は625個あります。^{[ 2 ]}

最初に知られている自然衛星は月でしたが、 1543年にコペルニクスが『天球回転論』を発表するまでは「惑星」と考えられていました。1610年にガリレオ衛星が発見されるまでは、そのような天体を一つの分類として呼ぶ機会はありませんでした。ガリレオは自分の発見を「惑星」と呼ぶことを選びましたが、後の発見者たちは、それらが周回する天体と区別するために別の用語を選びました。^{[ 3 ]}

軌道上の天体を表すのに「衛星」という用語を初めて用いたのは、ドイツの天文学者ヨハネス・ケプラーで、1610年に出版したパンフレット『木星の4つの衛星の観測に関する報告』（ Narratio de Observatis a se quatuor Iouis satellitibus erronibus）の中でこの用語を用いました。彼は、衛星が主惑星に付き添って天空を旅することから、ラテン語の「 satelles」（「守護者」「付き添い人」「仲間」という意味）からこの用語を派生させました。 ^{[ 4 ]}

こうして「衛星」という用語は、惑星の周りを公転する物体を指す一般的な用語となり、「月」という曖昧さを回避した。しかし、1957年に人工物体スプートニクが打ち上げられたことで、新しい用語が必要となった。^{[ 4 ]}人工衛星や人工月といった用語は、よりシンプルな「衛星」という用語に取って代わられ、すぐに使われなくなった。その結果、この用語は宇宙空間を飛行する人工物体と結びつくようになった。

こうした意味の変化により、一般科学書やフィクション作品で一般的な意味で使われ続けていた「月」という用語は、信頼性を取り戻し、科学論文においても「天然衛星」とほぼ同義語として使われるようになった。地球の天然衛星である月と他の惑星の天然衛星、そして人工衛星との混同による曖昧さを避ける必要がある場合は、 「天然衛星」（「人工」とは対照的な意味で「天然」を用いる）という用語が使われる。さらに曖昧さを避けるため、地球の天然衛星（固有名詞）を指す場合は「月」を大文字で表記し、他の天然衛星（普通名詞）を指す場合は小文字で表記するのが慣例となっている。

多くの著者は「衛星」または「天然衛星」を、何らかの惑星または小惑星の周りを公転するものと定義しており、「月」と同義としています 。このような定義では、すべての天然衛星は月ですが、地球や他の惑星は衛星ではありません。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}最近の著者の中には、「月」を「惑星または小惑星の衛星」、「惑星」を「恒星の衛星」と定義している人もいます 。このような著者は、地球を「太陽の天然衛星」とみなしています。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

月の定義

「月」とみなされるものの下限は確立されていません。太陽系の惑星の周りを公転する軌道が特定されている自然の天体はすべて、直径がわずか1キロメートルほどのものも含め、月とみなされてきました^{[ 11 ]。}ただし、土星の環の中にある、その10分の1の大きさで直接観測されていない天体は、小衛星と呼ばれています。ダクティルなどの小さな小惑星の衛星（小惑星の自然衛星）も小衛星と呼ばれています^{[ 12 ] 。}

上限も曖昧です。2 つの天体が周回している場合、主惑星と衛星ではなく、二重惑星として記述されることがあります。地球と月の系が例として挙げられます。 ^{[ 13 ]} 90 アンティオペのような小惑星は二重小惑星と考えられていますが、^{[ 14 ]}衛星を構成するものの明確な定義を強制していません。冥王星とカロンの系を二重（準）惑星と考える著者もいますが、^{[ 15 ]}重心がより大きな天体の表面より上にあるという議論があります。 ^{[ 16 ]}対照的に、太陽系のすべての惑星衛星の重心は、それぞれの主惑星の半径内に位置しています。^{[ 17 ]}

惑星の比較的近くを順行で傾斜のない円軌道で周回する自然衛星（規則衛星）は、一般的に、主惑星を形成した原始惑星系円盤の同じ崩壊領域から形成されたと考えられています。^{[ 18 ] [ 19 ]}対照的に、不規則衛星（一般的に遠く、傾斜した、偏心した、および/または逆行軌道で周回）は、衝突によってさらに断片化された可能性のある捕獲された小惑星であると考えられています。太陽系の主要な自然衛星のほとんどは規則的な軌道を持ち、小さな自然衛星のほとんどは不規則な軌道を持っています。^{[ 20 ]}月と冥王星の衛星は、太陽系の歴史の初期に2つの大きな原始惑星天体の衝突によって生じたと考えられている点で、大きな天体の中では例外です（巨大衝突仮説を参照）。^{[ 21 ] [ 22 ]}中心天体の周囲に軌道上に配置された物質は、再集積して1つ以上の軌道上の自然衛星を形成したと予測されている。惑星サイズの天体とは異なり、小惑星の衛星は一般的にこのプロセスによって形成されると考えられている。^{[ 23 ]}トリトンは別の例外である。トリトンは大きく、近接した円軌道にあるが、その運動は逆行しており、捕獲された準惑星であると考えられている。^{[ 24 ]}

太陽系のほとんどの規則衛星（軌道傾斜角と離心率が小さい、比較的近距離で順行軌道を回る自然衛星）は、それぞれの主星に潮汐固定されており、自然衛星の同じ面が常にその惑星に面している。この現象は、惑星によって生じる潮汐力によるエネルギー損失によって衛星の自転が遅くなり、無視できるほどになることによって起こる。 ^{[ 31 ]}例外も知られており、その1つが土星の自然衛星ハイペリオンで、タイタンの重力の影響でカオス的に自転している。^{[ 32 ]}冥王星の4つの周回小衛星もカロンの影響でカオス的に自転している。^{[ 33 ]}

対照的に、巨大惑星の外側の自然衛星（不規則衛星）は遠すぎてロック状態にはなっていない。例えば、木星のヒマリア、土星のフェーベ、海王星のネレイドは自転周期が10時間程度であるのに対し、公転周期は数百日である。^{[ 34 ]}

現在、「衛星の衛星」や準衛星（惑星の自然衛星を周回する自然衛星）は知られていない。ほとんどの場合、惑星の潮汐作用によってそのようなシステムは不安定になる。例外として考えられるのは、タイタン、イアペトゥス、カリスト、月など、広い軌道を持つ大きな衛星である。しかし、月のマスコンなど、他の力学的不安定性の原因によって、そのような準衛星が除去される可能性がある。^{[ 35 ]}

2008年に土星の衛星レアの周囲に環系が存在する可能性が発見された後に行われた計算^{[ 36 ]}によると、レアを周回する衛星は安定した軌道を持つ可能性がある。さらに、疑われる環は狭いと考えられており^{[ 37 ]} 、これは通常、羊飼い衛星に関連付けられる現象である。しかし、カッシーニ探査機が撮影したターゲット画像では、レアの周囲に環は検出されなかった^{[ 38 ]。}

また、土星の衛星イアペトゥスには過去に衛星があったという説も提唱されている。これは、その赤道隆起を説明するために提案されたいくつかの仮説の1つである。^{[ 39 ]}

光度曲線の分析によると、土星の不規則衛星キヴィウクは極めて長楕円体であり、接触連星または二重衛星である可能性が高い。^{[ 40 ]}

海王星の衛星プロテウスは、不規則な形状の自然衛星としては最大で、氷の衛星が球形に緩和される直前の大きさです。 [ 42 ]^{同期軌道に}ある衛星の形状は、静水圧平衡下で徐々に丸みを帯びた楕円体に変化すると予想されていますが、これは太陽系の年齢では起こらないかもしれません。たとえば、土星の大きな衛星は平衡状態にありますが、イアペトゥス、ミマス、エンケラドゥスは明らかに平衡状態にありません。^{[ 43 ] [ 44 ]}「丸い/丸みを帯びた衛星」は、惑星質量の衛星として分類されることもあります。エリスの衛星ディスノミアとオルクスの衛星ヴァンスの形状は現在不明ですが、ディスノミアの密度は十分に高いため、おそらく固体の楕円体であると考えられます。

潮汐固定されている大型の自然衛星は、極がずんぐりとしており、主天体（惑星）の方向の赤道軸が運動方向の赤道軸よりも長い、卵形（卵のような形）になりがちです。[ ^{45 ] ： 184-187例えば}、土星の衛星ミマスは、長軸が極軸より9%長く、もう一方の赤道軸より5%長くなっています。^{[ 46 ]}土星の別の衛星メトネは、 直径がわずか約3kmで、明らかに卵形をしています。^{[ 47 ]}重力が潮汐歪みの影響に比べて大きい大型の自然衛星では、この影響は小さくなります。特に、質量の小さい惑星を周回している衛星や、月のように遠距離を周回している衛星ではその傾向が顕著です。^{[ 45 ]： 167-170}

太陽系には重力によって球形になるのに十分な大きさの既知の自然衛星が 19 個あり、そのうちのいくつかは現在も地質学的に活発である。イオは太陽系で最も火山活動が活発な天体であり、[ ^{48 ]エウロパ}、 [ ^{49 ]エンケラドゥス}、 [ ^{50 ]および}トリトンは、現在も地殻変動と低温火山活動の証拠を示している。最初の 3 つの天体では、巨大惑星の主星に近い軌道が偏心していることから生じる潮汐加熱によって地質学的活動が促進されている。 ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} (このメカニズムは、軌道が円形になる前の過去にもトリトンで作用していたと考えられます。^{[ 51 ]} ) 地球の月、ガニメデ、タイタン、テティス、ミランダなどの他の多くの自然衛星は、原始放射性同位体の崩壊、過去の軌道離心率の増大 (場合によっては過去の軌道共鳴による)、内部の分化または凍結などのエネルギー源に起因する過去の地質活動の証拠を示しています。 ^{[ 52 ]}エンケラドゥスとトリトンはどちらも間欠泉に似た活発な特徴を持っていますが、トリトンの場合は太陽熱がエネルギー源となっているようです。タイタンとトリトンにはかなりの大気があり、タイタンには炭化水素の湖もあります。^{[ 52 ]}ガリレオ衛星の 4 つすべてに大気がありますが、非常に薄いです。^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]}最大の自然衛星4つ、エウロパ、^{[ 49 ]}ガニメデ、カリスト、タイタンには液体の水の地下海があると考えられており、^{[ 52 ]}より小さなエンケラドゥスにも液体の水の地下海が広がっていると考えられている。^{[ 50 ]}

内惑星のうち、水星と金星には自然衛星がなく、地球には月と呼ばれる大きな自然衛星が1つあり、火星にはフォボスとダイモスという2つの小さな自然衛星がある。巨大惑星には、地球の月と同程度の大きさの衛星が6つ（ガリレオ衛星4つ、土星のタイタン、海王星のトリトン）を含む、広大な自然衛星系がある。^{[ 56 ]}土星には、静水圧平衡に達するほど質量のある中型の自然衛星がさらに6つあり、天王星には5つある。いくつかの衛星には生命が存在する可能性があると示唆されている。^{[ 57 ]}

天文学者の間で準惑星と一般的に認められている天体のうち、ケレスとセドナには既知の自然衛星はありません。冥王星には比較的大きな自然衛星カロンと、スティクス、ニクス、ケルベロス、ヒドラの4つの小さな自然衛星があります。^{[ 58 ]}ハウメアには2つの自然衛星があり、オルクス、クワオアー、マケマケ、ゴンゴン、エリスにはそれぞれ1つずつあります。^{[ 59 ]}冥王星-カロン系は、重心が2つの天体の間の空間にあるという点で珍しく、これは二重惑星系によく見られる特徴です。^{[ 15 ]}

他の恒星の周りの惑星にも衛星が存在する可能性が高く、現在までに多数の候補が発見されているものの、 2024年時点ではいずれもまだ確認されていない。^{[ 60 ]}