月はなぜ地球から離れていくのか？

地球から離れていく月：月レーザー測距

月は毎年およそ3.8センチずつ地球から遠ざかっています。それがわかるのは、地球から撃ったレーザーが月に置かれた反射鏡で跳ね返り、その光の往復時間を測っているからです。これを月レーザー測距といいます。2025年3月、新しい反射鏡が着陸した翌日、フランスの観測局がそこまでの距離を統計的不確かさ1ミリ未満で測定しました。

それより2000年以上前、バビロンの天文学者たちは皆既日食を記録していました。もし地球が完璧に時を刻み、1日がきっかり86,400秒だったなら、その日食は今より経度で約50度西の場所で見えたはずです。粘土板とレーザーが、歴史の両端から同じゆっくりとした変化を測っているのです。そこに化石や古い岩石、海洋衛星のデータを合わせると、多くの解説が語らない物語が見えてきます。

月は一定のペースで遠ざかっているわけではありません。今の月は過去数億年の大半の時期よりも速く遠ざかっていて、その理由は私たちの海の形にあります。

加速しているように見えた月

最初の手がかりは意外な場所から現れました。1695年、エドモンド・ハレーはシリア砂漠の古代都市パルミラの遺跡についての論文を発表しました。その末尾で彼は旅行者たちに、バグダッド、アレッポ、アレクサンドリアで月食を観測し、それらの都市の正確な位置を突き止めてほしいと呼びかけました。そうすれば月の運動がどれほど速まっているかを割り出せると、彼は書いています。

古い日食記録を現代の記録と比べると、月は世紀を追うごとに軌道上で少しずつ先へ進んでいるように見えました。1780年代、ピエール＝シモン・ラプラスがその答えらしきものを見つけました。太陽を回る地球の軌道の形はゆっくり変わり、それによって太陽が月を引く強さも変わります。この説明はおよそ70年間、通用していました。

ところが1853年、海王星の位置を予測したことでも知られる天文学者ジョン・クーチ・アダムズが計算をやり直しました。彼は誤りを見つけ、ラプラスの効果は観測値の半分ほどに縮みました。月が速まって見える現象の半分は、説明がつかなくなったのです。1860年代、パリのシャルル＝ウジェーヌ・ドロネーとアメリカのウィリアム・フェレルが、ひとつの説明を提案しました。

月は本当は速まっていないのかもしれません。時計のほうが遅れているのかもしれません。その時計とは地球そのもので、潮汐が自転にブレーキをかけていたのです。毎日が前の日より少しずつ長くなるなら、日数で測ったものはどれも速く進んでいるように見えます。

1939年、イギリスの王室天文官ハロルド・スペンサー・ジョーンズは証拠をまとめ、月、太陽、水星、金星がそろって予定からずれていることを示しました。異なる軌道を回る4つの天体が、偶然に足並みをそろえてずれることはありえません。誤りは時計の側、つまり完璧な時計ではない地球の自転にありました。

長くなり続ける1日

では、1日はどれだけ延びたのでしょうか。2016年、リチャード・スティーブンソン率いるチームは、3000年近くにわたる観測記録をまとめ上げました。彼らは紀元前720年までさかのぼるバビロン、中国、古代ギリシャ、中世アラブ世界の日食記録と、月が恒星の前を通過する時刻のおよそ50万件の記録を使いました。バビロンの粘土板は、実は精密な観測装置だったのです。

皆既日食は細い影の帯の中でしか見えないため、太陽が暗くなったという一行の記録だけで、地球がどれだけ回っていたかがわかります。その結果、1日は平均して100年あたり約1.8ミリ秒ずつ長くなってきたことがわかりました。取るに足らない量に聞こえますが、積み重なります。紀元前700年ごろでは、地球の自転と完全に一定な時計とのずれは、およそ5時間半にもなります。

そして、後で重要になる細かな点がひとつあります。現在測定されている潮汐摩擦だけなら、1日は100年あたり約2.3ミリ秒延びていたはずです。何か別のものが、地球の自転を少し速めてきたのです。その一部は、最終氷期の終わりによるものです。

巨大な氷床が解けると、その下の大地がゆっくりと隆起し始め、地球はわずかに球形に近づき、腕を引き寄せるスケーターのように少し速く回り始めました。一部は、核とマントルが相互作用する地球の深部から来ているようです。

うるう秒の終わり

1日が長くなっていることが、うるう秒が存在する理由です。公式の1秒は、およそ1820年ごろの1日の長さに相当する形で天文時に合わせられました。2008年ごろ、平均的な1日はそれより約2.5ミリ秒長くなっていました。1年分積み重なると、それはおよそ1秒になります。

そのため1972年以降、世界の時計には27回のうるう秒が挿入されましたが、すべて1秒を足すもので、最後は2016年末でした。ところがここ数年、地球の自転は再び少し速くなっています。ある分析は、液体の外核が減速し、その回転を地球のほかの部分に受け渡していることと、これを関連づけています。そこで、1秒を差し引く負のうるう秒という、誰も経験したことのない可能性が浮上しました。

グリーンランドと南極の氷が解けたことで、その時期は先送りされました。現在の融解水は赤道のほうへ広がって地球の自転を遅らせ、2024年のある研究は、これにより負のうるう秒が必要になる時期が約3年遅れて2029年になったと推定しました。2026年10月、国際度量衡総会は2027年5月から世界の時計をうるう秒なしで運用することを決め、原子時と地球の自転が最大1時間までずれることを認めました。長期的な傾向は潮汐が決め、核と解ける氷が数十年単位でそれを揺さぶっています。

月面の反射鏡

最初の試みは、何も設置されていない月面を狙ったものでした。1962年、MITの研究者たちはパルスレーザーを何も設置されていない月面に照射し、かすかな反射光をとらえました。その1年後、ソ連の科学者たちもクレーターを狙って同じことを行いましたが、距離にはまだ100キロ以上の不確かさがありました。もっとよい標的が必要でした。

1969年7月21日、アポロ11号の宇宙飛行士たちは、小さなガラス製コーナーキューブ100個を並べたパネルを月面に設置しました。コーナーキューブは、使える角度の範囲内なら、光をやって来た方向へまっすぐ送り返します。その11日後の8月1日、カリフォルニアのリック天文台のチームがルビーレーザーでパネルをとらえ、反射光の時間を測りました。光が往復するのにかかる時間は約2.5秒です。

アポロ14号は2枚目のパネルを、アポロ15号は300個のキューブを備えた大型のパネルを運び、ソ連の2台の探査車ルノホート1号と2号はフランス製の反射鏡を載せていました。これら5つの反射鏡は、50年以上にわたってアメリカ、フランス、イタリア、ドイツ、中国の観測所から測定されてきました。

光子を1個ずつ捉える

月の反射鏡にレーザーを当てること自体は難しくありません。難しいのは、光を取り戻すことです。レーザーパルス1発には、およそ30京個の光子が含まれています。月に届くころにはビームが直径約2キロに広がっているため、反射鏡に当たるのはごくわずかです。

戻ってくる光は、地球上で再び何キロにもわたって広がります。送った光子のうち望遠鏡に戻ってくるのは、およそ100京個に1個だけです。APOLLOというプロジェクトが運用するニューメキシコ州のアパッチポイント観測所では、最もよい観測で1パルスあたり約3個の光子が得られました。たいていの夜、たいていの観測所では、それよりはるかに少なくなります。

戻ってきた光子は1個ずつ、約100億分の1秒の精度で時間が測られます。距離1ミリは、往復時間にすると約1兆分の7秒です。そのため、数分間に集めた何千個もの光子を合わせて、ひとつの測定値にします。大気は約2メートル分の遅れを加え、太陽の重力もさらに遅れを加えるため、どちらも補正しなければなりません。

反射鏡も老朽化しています。信号は本来より約10倍弱く、どうやら月の塵が表面の半分ほどを覆っているためのようです。満月のころには、その塵が日光を吸収してガラスを不均一に温めるため、信号はさらに10分の1ほどに落ちます。月食の際に反射鏡が影に入ると、信号は約15分以内に回復します。

行方不明の反射鏡

反射鏡のひとつは、40年近く行方不明でした。ルノホート1号は1970年に着陸し、1971年に探査車との通信が途絶えるまでの短い間、ソ連の科学者たちが測距を行いました。正確な位置は広く共有されず、誰も再び見つけられませんでした。2010年3月、NASAのルナー・リコネサンス・オービターがその探査車を撮影しました。

1か月後の4月22日、アパッチポイントのチームは新しい座標を狙い、最初の試みで約2000個の光子を受け取りました。探査車は、考えられていた位置から約5キロ離れた場所にありました。そして2025年3月、ブルーゴーストという民間の着陸機が、メリーランド大学が設計した新しい反射鏡を月面に降ろしました。小さなキューブを並べたパネルではなく大きなキューブ1個を使うため、月が傾いていても反射光がくっきりしたままです。

冒頭で触れたフランスの観測局が着陸翌日に測定したのが、この反射鏡です。1963年の100キロ以上という不確かさから、暫定値で1ミリ未満の統計的不確かさまで来たのです。同じデータで、ほかの仮説も検証できます。もし重力そのものの強さがゆっくり変化しているなら、それだけで月の軌道が広がる可能性があります。

月レーザー測距は、そうした変化を1年あたり1兆分の1未満に制限しています。それで説明できるのは、多くても月の後退の約1パーセントです。測定された月の後退は、海洋潮汐の衛星マップから予測される値と一致しています。現在の最良の値は、年に38.3ミリメートルです。

1969年にアポロ11号が反射鏡を残して以来、月は約2メートル遠ざかりました。

実は存在しない潮汐の膨らみ

では、潮汐はどうやって月を押しやるのでしょうか。よくある図では、月が地球の海を2つの膨らみに引き寄せ、ひとつは月の側、もうひとつは反対側に向いています。地球は月の公転より速く自転しているので、自転によって膨らみは月より少し前方へ運ばれます。月より前にある膨らみが月を軌道に沿って前へ引き、その余分な引力が月をより大きな軌道へ押し上げます。

同時に、月は膨らみを後ろへ引き戻し、地球の自転を遅くします。角運動量は地球の自転から月の公転へ移り、その合計は変わりません。この説明は結果としては正しいのですが、図は誤解を招きます。実際の海には、膨らみが2つあるわけではありません。

月についていくには、赤道の膨らみは秒速約450メートルで地球を一周しなければなりません。潮汐は非常に長い波として進み、深さ4キロの海ではその波は秒速約200メートルでしか進めません。水は追いつけないのです。代わりに潮汐は各海盆の中で複雑な波のパターンをつくり、水位がほとんど上下しない地点の周りを回ることがよくあります。

月はそうした波のひとつひとつを個別に感じているわけではありません。月が感じるのは、地球全体で平均されたそれらの波の合わさった引力です。その合わさった引力こそが実質的な潮汐の膨らみで、月より少し前に位置しています。実在する海盆の実在する波からできているので、それは海の大きさと形に左右されます。

海岸線が変われば、ブレーキも変わります。

エネルギーの行き先

惑星の回転を遅らせると、膨大なエネルギーが放出されます。レーザー測定から計算すると、月による潮汐は地球の自転から約3.3テラワットのエネルギーを奪っています。そのうち月をより高い軌道へ押し上げるのに使われるのは、約0.12テラワット、およそ4パーセントだけです。残りは乱流と熱に変わります。

太陽による小さな潮汐も加えると、地球は潮汐摩擦で約3.7テラワットを失っています。海洋学者のウォルター・ムンクとカール・ウンシュは、これを当時の世界全体の発電設備容量と比べました。そのエネルギーのほとんどは海で失われ、地球の固い岩石の部分で失われるのはごく一部です。つまり、月の後退は副作用なのです。

潮汐が地球の自転から奪うものの大半は、海をかき混ぜることに使われています。

消えた1テラワット

20世紀のほとんどの間、科学者たちはそれがどこで起きているのかわかっていると考えていました。1919年、物理学者のG・I・テイラーはアイリッシュ海の潮汐摩擦を推定し、潮汐は浅い海底をこすりながらエネルギーを失うという考えが定着しました。ところが数字を足し合わせると、足りませんでした。月による主要な潮汐だけでも、約2.4テラワットを失っているはずでした。

浅い海だけでは、そのすべてを説明できそうにありませんでした。答えは宇宙からもたらされました。TOPEX/Poseidon衛星は何年にもわたり、潮汐の地図をつくれるほどの精度で世界中の海面の高さを測りました。2000年、ゲイリー・エグバートとリチャード・レイはそのデータを使い、浅い海が月の主要な潮汐から奪うのは約1.6から1.8テラワットにすぎないことと、残りの行き先を示しました。

すべての潮汐を合わせて約1テラワットが、深海の中央海嶺や海山、島の連なりの上で失われています。潮汐が起伏の多い海底の上を流れると、冷たい水の層と暖かい水の層の間に海の内部の波が生まれ、その波が砕けて深層の水を混ぜます。この混合が重要なのです。極地の近くで沈み込む冷たい水は深海へ流れ込み続けており、上から暖かい水が混ざり込まなければ、深海は数千年のうちにその冷たい水で満たされてしまいます。

混合を保つには約2テラワットが必要で、研究者たちは潮汐がその半分ほどをまかなえると推定しました。浅い海もやはり重要です。潮汐エネルギーが最も多く失われる場所には、ハドソン湾、ヨーロッパ周辺の大陸棚海域、オーストラリア北西部、パタゴニア大陸棚、黄海と東シナ海があります。月を押しやる摩擦、長くなる1日、深海の混合は、すべて同じエネルギーの流れの一部です。

石に刻まれた暦

潮汐が何十億年も地球の自転を遅らせてきたのなら、太古の1日はもっと短かったはずです。1963年、古生物学者のジョン・ウェルズはサンゴの化石に注目しました。サンゴの中には毎日1本ずつ細い成長線を加えるものがあり、その成長線は1年ごとの帯にまとまります。現生のサンゴでは、1年分の成長に約360本の成長線があり、1年の日数に近い値でした。

デボン紀の約3億8000万年前のサンゴでは、385本から410本、たいていは約400本ありました。1年そのもの、つまり地球が太陽を一周する時間は、ほとんど変わっていません。ですから1年が約400日だったなら、1日はもっと短く、22時間に近かったことになります。2020年、ある研究チームが、約7000万年前に現在のオマーンにあたる場所で生きていた、絶滅した二枚貝の仲間ルディストの化石の殻1つを調べました。

レーザーで殻を1層ずつ分析したところ1年に372本の日輪が見つかり、これは1日が約23時間半だったことを意味します。潮汐も記録を残します。南オーストラリアでは、約6億2000万年前の岩石に、外海から守られた潮汐デルタで潮汐が積もらせた地層が保存されています。新月と満月のころの強い潮汐は厚い層を、その間の弱い潮汐は薄い層を残し、およそ60年分の潮汐が途切れることなく記録されています。

この地層から地質学者のジョージ・ウィリアムズは、1年は約13か月、400日で、1日は約22時間だったと割り出しました。しかし化石や潮汐の地層を正確に読み取るのは難しいことです。成長線が欠けていることもあれば、同じ岩石を複数の方法で数えられることもあります。同じ南オーストラリアの地層を分析した別のチームは、月までの距離としてかなり異なる値を得ました。

方向ははっきりしていますが、数値にはもっとよい物差しが必要です。

気候のリズムに残る月

その物差しとなったのが、気候でした。地球の自転軸は回るコマのようにゆっくりと首を振り、その首振りが季節をずらす周期は、今ではおよそ2万年です。気候が湿潤と乾燥、温暖と寒冷の間を揺れ動くにつれ、こうした周期は堆積物に縞模様を残します。この首振りは、太陽と月が地球の膨らんだ赤道を引っ張ることで起こります。

月がもっと近く、地球がもっと速く回っていたころは首振りも速く、縞の間隔も詰まっていました。主に金星と木星によって決まる、現在約40万5000年の別の周期が、それほど昔まで安定していたという仮定のもとで、目盛りの役割を果たします。2018年、スティーブン・マイヤーズとアルベルト・マリンヴェルノは、この方法を中国北部の約14億年前の岩石に当てはめました。そこでは、首振りによる気候の周期はわずか約1万2000年から1万4000年でした。

そこから、月までの距離は約34万1000キロ、1日は約18時間40分となります。2022年、マルグリート・ランティンク率いるチームはさらにさかのぼり、24億6000万年前に形成された西オーストラリアの鉄に富む岩石を調べました。当時、月までの距離は約32万1800キロで、1日は約17時間でした。月までの距離は、太古の気候のリズムに刻まれているのです。

15億年問題

そしてこれらの岩石は、科学者たちを何十年も悩ませてきた問題を浮き彫りにします。今のペース、年3.8センチで計算すると、月が地球のすぐそばから今の位置まで遠ざかるには約100億年かかります。十分な時間があるように聞こえます。しかし潮汐力は、月が近づくほどずっと強くなります。

それを考慮して今の潮汐摩擦を過去へさかのぼらせると、月はわずか15億年ほど前に地球とほとんど接していたことになってしまいます。ところが月の年齢はおよそ45億年で、30億年以上前の岩石にもすでに潮汐の跡が見られます。つまり地球の歴史の大半で、月は今よりゆっくり遠ざかっていたはずなのです。西オーストラリアの岩石も、これと一致します。

24億6000万年で32万1800キロから今の距離まで移動するには、月は平均で年に約2.5センチで十分でした。では、なぜ今はこれほど速いのでしょうか。

海のリズム

ブランコに乗った子どもを思い浮かべてください。でたらめに押しても、たいしたことは起きません。ブランコのリズムに合わせて押せば、ひと押しごとに揺れが積み重なります。水をたたえた場所にも、それぞれ固有のリズムがあります。

水は、その海盆の大きさと深さで決まるペースで、海盆を行ったり来たりします。カナダのファンディ湾とその隣のメイン湾では、その固有のリズムが約13時間で、12時間を少し超える月の潮汐のリズムに近くなっています。そのため潮汐はそこで大きく増幅され、満潮と干潮の差は約16メートルに達することがあります。同じことが、大洋全体の規模でも起こります。

今の大西洋は、固有のリズムが1日2回の潮汐とほぼ一致していて、共鳴に近い状態にあります。大陸の移動とともに海盆は開いたり閉じたりしますが、今の海がどう形を変えうるかを潮汐シミュレーションで調べると、広がりつつある海は、誕生から約1億4000万年から1億8000万年のころにこの共鳴に近づくことが示唆されています。それは、ほぼ今の大西洋の年齢です。同じ研究者たちは、こうした強い潮汐の時期が超大陸サイクルごとに1回から5回訪れ、それぞれ長くても約2000万年しか続かないと推定しています。

彼らの大まかな見積もりでは、その時期を合わせると地球の歴史の約9パーセントになります。私たちはたまたま、その時期のひとつに生きているのです。

一気に遠ざかる月

2022年、モハマド・ファルハトとジャック・ラスカー率いるパリのグループは、地球の潮汐の時間変化を表す物理モデルを構築しました。彼らは、今日測定されている後退速度と月の年齢に合わせるため、モデルの設定を2つだけ調整しました。太古の岩石のデータには、一切合わせていません。それでもその予測は、14億年前と24億6000万年前の岩石の測定値とよく一致しました。

そのモデルでは、月はなめらかに遠ざかるわけではありません。ほとんどの期間、海は共鳴から遠く、月はじわじわと外へ移動します。ときおり、潮汐と海の応答が変化するなかで系が共鳴を通過すると、ブレーキが強く効き、月は一気に押しやられます。モデルは、過去7億年だけでもそうした時期を2回見いだしています。

ですから、月がかつてないほど速く遠ざかっていると言うのは誤りです。こうした急な時期は以前にもあり、形成直後の月ははるかに速く遠ざかっていました。それでも歴史の大半と比べれば、今のペースは異例の速さです。

氷河期と溶ける氷

海の形が重要なら、深さも重要です。最終氷期には大量の水が氷に閉じ込められ、海面は約100メートル低くなっていました。広く浅い大陸棚が干上がり、大西洋の潮汐ははるかに大きくなりました。月による主要な潮汐を扱ったあるモデルでは、潮汐エネルギーの損失は約1.5倍になり、深海ではほぼ3倍になりました。

氷期の間、月はおそらく今よりも速く押しやられていたでしょう。今、解けつつある氷が再び海を変えています。ある研究は、海面の高さと海水の層構造の変化によって、1900年以降、月の後退速度が年に約1ミリメートル増したと推定しています。この数値はモデルと過去の記録から得られたもので、レーザーデータから直接得られたものではありません。

そしてこれは、うるう秒が必要になる時期を遅らせる効果とは別のものです。赤道へ移動する水は、月に何も渡すことなく1日を長くします。その推定では、月を余分に押しているのは潮汐摩擦の変化です。

1日は19時間で止まっていたのか？

この歴史のすべてが解明されているわけではありません。2023年、2つの研究グループが、約20億年前から10億年以上にわたって1日の長さが延びるのを止め、約19時間のままだったと提唱しました。彼らの説明は、もうひとつの種類の潮汐、大気の潮汐です。日光は毎日大気を温め、その加熱が大気に潮汐を起こして、地球の自転をわずかに前へ押します。

大気がちょうどよい時期に共鳴していたなら、その押す力が月のブレーキとつり合った可能性があります。グループの一方は、その停滞がなければ今の1日は65時間より長くなっていたと計算しました。しかしそのモデルには摂氏約40から55度という平均地表温度が必要で、著者ら自身も気になるほど高いと認めていました。パリのグループを含むほかの研究者たちは、これに異を唱えています。

彼らは、この停滞説が古くて不確かな化石データに頼っていると主張し、彼ら自身の大気潮汐モデルでは、今と同じような気温なら共鳴はずっと後に訪れ、しかも弱すぎたとしています。最もはっきりした検証は、10億年から20億年前の岩石から気候のリズムをもっと見つけることでしょう。今のところ、これは未解決の問題です。

こぶし大の月

始まりに戻りましょう。月の起源について最も有力な説明は、巨大衝突です。地球の歴史の初期、おそらく火星ほどの大きさの天体が若い地球に衝突し、軌道に放り出された破片が集まって月になりました。シミュレーションによれば、破片は1年もたたずに月にまとまり、その位置は地球の中心から地球半径のわずか3倍から5倍ほどでした。

今の月は、地球半径の約60倍の距離にあります。その距離からだと、若い月は今より約16倍から37倍大きく見えたはずです。腕を伸ばしたとき、握りこぶし1つか2つ分の幅に見えたでしょう。地球と月の系の回転をすべて地球に戻すと、1日は約4時間になり、若い地球はもっと速く回っていたとするモデルもあります。

それ以来、潮汐摩擦は地球の回転を月へと移し続けており、現在それは主に海を通じて起きています。

最後の皆既日食

これから何が起こるのでしょうか。月が今のペースで遠ざかり続ければ、やがて小さく見えすぎて太陽を完全には覆えなくなります。天文学者ジャン・メーウスのよく知られた見積もりでは、皆既日食は約6億2000万年後から消え始め、約12億年後には完全になくなります。その時期は月が実際にどれだけ速く動くかに左右され、大西洋がいつまでも共鳴状態にあるわけでもありません。

月は地球の自転軸の傾きも安定させています。計算によると、月が遠ざかり地球の自転が遅くなるにつれ、今から15億年後から45億年後のどこかで、地球の傾きが不安定になる可能性があります。教科書には終着点も書かれています。ほかに何も介入しなければ、地球は1日が月の公転周期と等しくなるまで遅くなり、その長さは今の約47日分、月までの距離は約55万キロになります。

その距離でもまだ地球の重力が十分に引き留められる範囲内なので、月が去ってしまうことはありません。しかし地球は、おそらくそこまでたどり着かないでしょう。太陽は1億1000万年ごとに約1パーセントずつ、ゆっくり明るくなっています。およそ10億年後には、海が蒸発し始めるほど明るくなると予想されています。

そして地球の自転にかかるブレーキの大部分は、海なのです。海がなければ、月の後退はおそらく大幅に遅くなるでしょう。皆既日食の終わりと海の消失の始まりは、どちらもおよそ10億年後に訪れるかもしれません。

測定は続く

2026年4月、アルテミスIIの4人の宇宙飛行士が月を周回し、半世紀以上ぶりに月まで旅した人々となりました。月面では古いアポロの反射鏡が今も使われており、将来の着陸機にも新しい反射鏡が計画されています。観測所が月から戻る数個の光子をとらえる夜ごとに、バビロンの粘土板から始まった記録が少しずつ書き足されていきます。月は年に約3.8センチずつ地球から遠ざかっています。

その数字は、海の大きさと深さ、そして海を抱く海岸線の形から生まれています。そして海盆がいつもそうしてきたように、大西洋が潮汐とずれていけば、その数字はまた変わるでしょう。