火星の衛星は、なぜ一方だけ落ちていくのか ― 境目は自転の24時間37分

境目は、たった「1」という比

2026年10月20日午前4時41分、火星衛星探査機MMXがH3ロケット10号機で打ち上げられました。約1年かけて火星圏に到達し、衛星フォボスに2回着陸して10gの試料を採取、2031年に地球へ持ち帰る計画とされています。

火星には衛星が2つあります。内側のフォボスと、外側のデイモスです。同じ惑星を回っているのに、フォボスは近づきつつあり、デイモスは遠ざかる側にいます。向きを分けるのは、たった一つの比です。

国際天文学連合（IAU）の作業部会がまとめた基準値から、周期を計算し直してみます。自転の角速度は火星が1日あたり350.891982度、フォボスが1128.844759度、デイモスが285.161889度です。フォボスとデイモスは自転と公転が同期しているので、この値は公転の角速度でもあります。360度で割ると、周期はそれぞれ24時間37分22.7秒、7時間39分14秒、30時間17分55秒になります。

比を取ると、フォボスは0.3108、デイモスは1.2305。1をはさんで、きれいに両側に分かれています。

なぜ境目で向きが変わるのか

衛星は主星を引っぱり、わずかに細長く変形させます。これが潮汐のふくらみです。主星は固体で粘りがあるため、ふくらみの頂点は衛星の真下にすぐには来ず、遅れて追いかけます。この遅れが向きを決めます。

衛星の公転が主星の自転より速い場合（比が1より小さい）、衛星はふくらみを置き去りにして先へ進みます。ふくらみは後方に取り残され、衛星を後ろ向きに引きます。衛星は軌道の角運動量を失い、軌道は縮みます。失われた分は主星の自転へ移るので、主星は逆に少し速く回るようになります。

公転が自転より遅い場合（比が1より大きい）は、すべてが裏返ります。ふくらみが衛星より先を行き、衛星を前向きに引いて、軌道を広げます。代わりに主星の自転は遅くなります。

この変化は、自分を加速させる向きに働きます。軌道が縮めば公転周期は短くなり、比は1からさらに離れます。衛星が十分に軽ければ外側でも同じで、遠ざかるほど比は大きくなります。1は落ち着き先ではなく、留まれない分水嶺です。

火星の数字で確かめる

比が1になる軌道半径は、ケプラーの第3法則から直接出ます。周期を主星の自転周期に等しいと置くだけです。

火星の重力定数GMは、探査機の追跡データから作られた重力場モデルGMM-3の値で42828.373km³/s²です。自転周期を入れると、a＝20,428kmと出ました。火星の赤道半径3396.19kmで割ると6.01倍です。同じ式に地球の値を入れると42,164kmになり、静止衛星の軌道半径として知られた数字と一致します。筋は確かめられました。

フォボスの軌道長半径は9,376kmとされます。周期から同じ式で逆算すると9,374kmで、0.03%以内に収まりました。デイモスは同じ方法で23,457kmです。

軌道半径の比は、周期の比を3分の2乗したものです。0.3108なら0.4589、1.2305なら1.1483で、表の値とそろいます。デイモスは境目のわずか15%外側にいるだけで、かろうじて遠ざかる側に立っています。

落ちていることは、IAUの基準値そのものに書き込まれています。フォボスの向きを表す式には、経過時間の2乗に比例する項が1つ足されており、1世紀の2乗あたり12.72度です。公転が少しずつ速くなっている、という意味です。そこから軌道の縮み方を逆算すると、年に約3.9cm。潮汐による軌道変化の式に火星のQ値を入れた別の筋道では年に約3.8cmで、二つの方法がほぼ同じ値を返しました。デイモスの式には、この2乗の項がありません。後退はまだ測られておらず、比が1より大きいことから導かれる向きです。

月や、ほかの惑星と並べてみる

地球の月は、軌道半径384,400kmで静止衛星軌道の9.1倍の位置にあります。境目のはるか外側なので、遠ざかる側です。その代わり地球の自転は遅くなっています。

では落ちる側の衛星は珍しいのでしょうか。同じ式で各惑星の境目を計算し、衛星の軌道半径と比べました。海王星の内側5つ、ナイアドからラリッサまではすべて境目の0.58〜0.88倍で落ちる側です。木星のメティスとアドラステアも0.80倍前後、天王星には内側の小衛星が10個以上あります。逆に土星には落ちる側が1つもなく、いちばん内側のパンが1.19倍でした。

落ちる側にいるのは、惑星にごく近い小さな衛星ばかりです。ただしこの見分け方には、順行であるという条件が付きます。海王星のトリトンは境目の4.2倍も外側ですが、公転の向きが自転と逆のため、潮汐はやはり軌道を縮める向きに働きます。

俗説・誤解チェック

比が1より小さいので軌道は縮み続けますが、表面に届く前に潮汐でばらばらになる可能性が高いとされます。BlackとMittalは2015年に、フォボスが2,000万〜4,000万年後に崩壊し、その破片が火星の環になると論じました。割れ目が多く空隙に富むため、潮汐の力に耐える強度がないという見方です。

どこで壊れるかは、まだ決まっていません。AgrusaとMichelは2026年の論文で、フォボスの強度を探査機が訪れた小天体の実測値に合わせると、火星半径の2倍より外側で壊れると見積もりました。今の2.76倍から3割ほど落ちた地点です。これまでの研究は強度を高く見すぎ、壊れる距離を内側に見積もっていた、という指摘です。内部が崩れる前に表面が剥ぎ取られる場合や、最期が衝突による侵食で決まる場合もあるとしています。

黄金比研究所の見立て

この回の数字は、二段構えになっています。境目が「比1」であること自体は、ケプラーの第3法則と潮汐の向きだけから出る計算の結論です。一方その境目が火星では20,428kmに来る、という部分は、測った重力定数と自転周期を入れた結果で、天体が変われば動きます。前者は動かず、後者は観測とともに更新されます。

そしてこの1は、黄金比のような「最適比」ではありません。最適比は、そこに置くと何かが最も良くなる値です。この1は逆で、そこに置いても留まれない値です。わずかに内側なら落ち、わずかに外側なら離れる。安定な最適値と不安定な分水嶺は、読み方を変える必要があります。

デイモスは境目の1.148倍。この0.148という余裕が、2つの衛星の運命を分けました。