月の自転と公転はなぜ同じ周期？裏側と満ち欠けの違い

月は、自分の軸のまわりを1回転する間に、地球のまわりも1周しています。自転と公転にかかる時間がほぼそろっているため、地球にはいつも似た面が向きます。この状態が「同期回転」です。

ただ、それだけでは「なぜ周期がそろったのか」「満ち欠けは1か月弱なのに、公転は約27日なのか」という疑問が残ります。月の向き、地球からの見え方、太陽の照らし方を順に分けてみます。

同じ面が見えるのに、月は自転している？

机の中央に地球役のコップを置き、そのまわりを月役の人が歩くと考えてください。つねにコップへ顔を向けて1周すると、途中で向く部屋の壁は次々に変わります。部屋全体から見れば、歩く人の体も1回転しています。

反対に、つねに部屋の同じ壁へ顔を向けて1周したらどうでしょう。コップからは、顔、横顔、背中が順番に見えるはずです。地球に同じ面を見せ続けるためには、月自身の向きも回る必要があるのです。

この例は向きの関係を理解するための模型です。人が意識して顔を向けることと、重力によって天体が動くことは仕組みが違います。実際の月では、1回の自転と、星々を基準に地球を1周する公転が、ともに約27.3日です。運動の周期を確認する

手がかりは「潮汐」です。地球の重力は月全体にまったく同じ強さで働くわけではなく、月の形をわずかに変えます。海の満ち引きで聞くことばですが、ここでは天体そのものの変形が関わります。

月の自転が今より速かった時代には、地球に引かれて変形する位置も月の中を移っていました。物質は瞬時には形を変えられないため、ふくらみには遅れが生まれます。地球の重力がそのずれたふくらみに働き、変形の過程で力学的なエネルギーの一部が熱になります。

こうした作用によって自転が遅くなり、1周の公転につき1回の自転をする状態へ近づいた、と説明されます。「潮汐固定」とも呼ばれる過程です。現在の周期が偶然一致した、と考えるより、長い時間をかけて回り方が変わったと見るとつながります。潮汐固定の解説

月の過去の運動を、この説明だけで細かな年表にできるわけではありません。形成直後の状態や地球からの距離も関わるため、ここでは同期へ向かう仕組みに絞っています。また、同じ面を向けることは、月が宇宙空間に静止したり、軌道が変化しなくなったりすることを意味しません。

二つの数字は、何を基準に「ひと巡り」と数えるかが違います。約27.3日は、遠くの星々を基準に月が地球のまわりを1周する時間。約29.5日は、新月から次の新月のように、同じ満ち欠けの状態へ戻る平均的な時間です。

月が地球を1周する間に、地球も太陽のまわりを進んでいます。そのため、月が星々に対して元の方向まで戻っただけでは、太陽・地球・月の位置関係は元どおりになりません。同じ満ち欠けになるには、月がさらに進む必要があります。

ここで、月が途中からゆっくり回り始めたと考える必要はありません。一方は星々に対する位置、もう一方は太陽に対する位置関係を数えています。「何に対して同じなのか」をそろえずに二つの周期を比べると、矛盾して見えてしまうのです。

「裏側」とは、地球に向いていない側の呼び名です。太陽に照らされない側という意味ではありません。月の裏側にも太陽の光が当たり、昼と夜が移り変わります。

地球から見る満ち欠けは、太陽に照らされた月の部分を、どれくらい見込むかで変わります。満月では明るい側が大きく見え、新月では地球に向いた側が暗くなります。ふだんの満ち欠けを、地球の影が毎月月面を覆って起こる現象と考えると、位置関係を取り違えます。

裏側の可視化でも、この照らし方の変化を確かめられます。下の画像では、クレーターなど同じ地形を持つ月面で、明るく見える範囲が変わっています。「地形のある面」と「その時に明るい部分」は、別々に追えるものです。画像と探査の解説

厳密には、地球からのぞける月面の範囲は少し変わります。「秤動（ひょうどう）」と呼ばれる見かけの揺れがあり、月の縁の向こうを少しのぞき込むように見えるためです。

その一因は、月の軌道が真円ではなく楕円であることです。公転の速さは軌道上の位置によって変わりますが、自転はそれにぴったり合わせて速くなったり遅くなったりするわけではありません。その差によって、東西の縁が交互に少し多く見えます。南北方向の見え方には、軌道と自転軸の向きも関わります。秤動の解説

ですから「ほぼ同じ面が見える」と「見える範囲がまったく変わらない」は違います。月の模様を観察するときは、明るい部分の形だけでなく、模様が縁からどれくらい離れているかにも注目できます。自転、公転、満ち欠けを分けて考えると、一つの月の中で同時に起こっている変化を読み取りやすくなります。