「金星は地球に最も近い惑星ではない」という主張、ではどの惑星が地球に最も近いのか？

太陽系では太陽を中心に、水星・金星・地球・火星・木星・土星・天王星・海王星という8つの惑星が公転しています。一般的に私たちが住む地球に最も近い惑星は金星だと言われていて、NASAによる金星の紹介ページでも「our closest planetary neighbor(私たちの最も近い隣人)」と表現されていますが、この通説に対して「地球に最も近い惑星は金星ではない」と天文学者が反論しています。

Venus is not Earth’s closest neighbor
https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.3.20190312a/full/

惑星の近い・遠いは惑星間の平均距離によって比べられ、従来の考え方では、「2つの惑星の平均公転半径(太陽からの距離)の差」で計算されます。例えば、平均公転半径が0.72AU(約1億800万km）である金星と、平均公転半径が1.00AU(1億5000万kim)である地球の平均距離は、1.00－0.72＝0.28AU(約4200万km)になります。

しかし、平均公転半径の差は2惑星が最接近している時の距離に近いものであり、2つの惑星の間で常に0.28AUという距離が保たれている訳ではありません。そのため、どれが最も近い惑星なのかを平均公転半径の差だけで決定する定説に対して、ロスアラモス国立研究所で研究助手を務めるTom Stockman氏ら3人が異を唱えています。

3人は惑星間の平均距離をより正確に捉えるために、「ポイントサークル法(Point Circle Method、PCM)」という新しい計算方法を提唱しています。PCMでは各惑星の軌道を「平均半径をもつ同一平面上の同心円」と仮定します。3人は「私たちの住む太陽系ではこの仮定はあながち間違っておらず、8つの惑星は2.6度±2.2度の軌道傾斜を持ち、平均軌道離心率は0.06±0.06です」とコメントしています。

以下の図aは、2つの惑星の軌道を示したもの。c1は平均軌道半径＝r1とする内惑星の軌道で、c2は平均軌道半径＝r2とする外惑星の軌道です。惑星は軌道円上を常に一定の公転速度で動いているため、「惑星が軌道上のどの位置にいるのか」という確率分布は一様だと考えられます。そこで、3人は図bに示されるような「c2上の任意の点(左の円)からc1上のすべての点(右の円群)までの距離の平均」を、新しい2惑星間の平均距離として数学的に定義しました。

計算の結果、地球と金星との平均距離は1.14AU(約1億7000万km)、火星との平均距離は1.70AU(約2億5500万km)だったのに対して、水星との平均距離は1.04AU(約1億5500万km)だったことがわかりました。このことから「地球に最も近い惑星は水星である」とStockman氏らは論じています。

同時に、Stockman氏らは、PyEphemと呼ばれるPythonライブラリを使用して、太陽系内の8つの惑星すべての位置についてシミュレーションを行い、10年間の平均測定距離をPCMでの計算結果と比較しました。シミュレーションを動かしている様子は以下のムービーの6分40秒辺りから見ることができます。

Mercury is the closest planet to all seven other planets - YouTube


以下の表は、各惑星間の平均距離を上から「シミュレーションによる算出」「PCMによる算出」「従来の方法による算出」の3つで示したもの。シミュレーションによって導き出された距離とPCMによって算出された距離がほとんど同じであることがよくわかります。

さらに、3人はこの結果から「内側の物体の軌道半径が小さいほど、同心円状に移動する物体間の平均距離は短くなる」という推論を展開しています。完全に証明されているわけではありませんが、この推論に基づけば、最も内側を公転する水星はその他すべての惑星にとって最も近い惑星ということになります。

3人によると、PCMを用いることで周回する任意の物体の平均距離を素早く見積もることができ、例えば信号強度が距離の2乗に比例して低下する衛星通信網をすみやかに検証するのに役立つとのこと。「いずれにせよ、少なくとも金星が私たちの最も近い隣人ではないこと、そして水星がみんなの隣人であることがわかりました」とStockman氏らは論じました。