太陽系や土星の輪はなぜ平べったいのか?

2020年9月17日

地球をはじめ、太陽系にある8つの惑星と5つの準惑星、それらを公転する衛星(月)は、全て平らな円盤上を回っています。

矮小惑星(わいしょうわくせい)も小惑星も彗星たちも、数多くの太陽系小天体が、なぜか皆同じ平面内を同じ方向で回っているのです。

しかも私たちの太陽系だけが、平べったいわけではありません。

ブラックホールの降着円盤、土星の輪っかをはじめ、多くの銀河も平らであり、小型の太陽系のように惑星が6つもある恒星系「ケプラー11」も平ら、その他にも太陽系外惑星の星系の多くが同じく平らな円盤状を同じ方向に周回しています。

3D(立体)のスペースがあるのに、宇宙はなぜこのように平らなスタイルを好むのでしょうか?

その答えは2つのことに関係しています。

以下に、太陽系が同じ円盤の平面内を回る理由について紹介します。

太陽系が平らなのは、太陽系のでき方に秘密がある

太陽系は約46億年前に、星雲から形成されました。

渦を巻いていたガスと塵(ちり)の塊が、重力という魅力的な力のおかげで集まった暗黒星雲です。

しかし、この形のない大きな塊、太陽系がなぜ、どのようにして平らな軌道を回るようになったのでしょうか?

それには、太陽系のでき方から考えていく必要があります。

本題に入る前に、原子の基礎を理解するために今でも惑星型モデルが使われていることをご存知ですか?

1911年アーネスト・ラザフォードは、正電荷が中心部分に集中して存在することを突き止め、ラザフォードは、その部分を原子核と命名しました。

そして、太陽の周りを惑星が回転するように、電子(惑星)が原子核(太陽)の周りを回転しているという惑星型モデルと呼ばれる原子模型を発表。

彼は、宇宙の姿から、原始の構造を唱えたのですが(核子の塊が中央に位置するところは当たっており、今でも原子モデルの基礎を理解する上で使われていますが)、実際には全てが正しいわけではないことも分かっています。

少し話は反れてしまいましたが、惑星が太陽の周りを円盤の軌道上で公転しているのには、2つのことが関係しています。

「衝突」と、私たちが「3次元に住んでいる」という事実です。

太陽系が平べったい円盤の軌道を公転する理由

重力に引き寄せられた物体が、ぐるぐる回っている時はいつでも、(個々のそれぞれの粒子の動きや回転の向きは把握しにくいかもしれませんが)雲のような塊を全体としてみてそれを数学的に考える(全角運動量量子数)と、最終的に、回転するいくつかの平面が存在しなければなりません。

3次元で考えると、粒子は、はじめのうちは平面から上下にはみ出て動き回ることができますが、自身の重力で縮んで密度が高くなっていくと、粒子同士がぶつかったり、ぶつかられたりすることで上下反対方向の運動が互いに打ち消されて(エネルギーが失われる)平均化されていきます。

しかし、質量全体は必然的に自転し続けなければなりません(角運動量保存の法則)。なぜなら、私たちの宇宙では、中心力が働く物体の自転の総量は常に同じままだからです。

そのため、時間の経過とともに、大きな雲の塊は、衝突によって上下の階層を失い、お互いがぶつからないように同じ平面上を同じ方向で回転するようになります。

結果的に、太陽系や渦巻き銀河のような、回転している大まかな2次元の円盤状に平べったくなっていくのです。

しかし、4つの空間次元では、計算上、2つの独立した相補的な回転面が存在することになりますが、これは私たちの3D思考脳にはとても難しく、また、衝突によって粒子がエネルギーを失う上下方向がないことを意味します。

つまり、粒子の雲はただの雲であり続けることができるのです。

このようにして、星雲や幼い銀河は、最初は三次元で平らでなく、最終的に平らな円盤状になっていくと考えられます。