火星面から見たフォボスとデイモス

内山茂男

火星にはフォボスとデイモスという2つの小さな衛星があることは有名です。これらのデータ（最後に掲載）を見ると、 火星面から見たときにいろいろと面白いことがあることがわかりました。地球から見た月と比べながら説明していきましょう。

※ “デイモス”は“ダイモス”と表記されることも多いですが、天文年鑑(2020)では“デイモス”と表記されていますので、 ここではデイモスと表記します。

１　見かけの大きさ

月は大きい衛星です。太陽系の中では、ガニメデ、ティタン、カリスト、イオに次いで5番目で、ユーロパより大きいのです。それに対して、 フォボスやデイモスはとても小さい衛星です。しかし、図1のように、火星の近くを公転しています。火星は地球に比べて小さい惑星なのにこの距離ですから、 かなり近くを公転しているのです。すると、火星面から見たらどの程度の大きさに見えるのでしょうか。求めてみた結果が図2です。 こうしてみると、フォボスは十分に大きさや満ち欠けが、肉眼でも十分わかるレベルです。一方、デイモスはとても小さく、 鋭眼の人なら満ち欠けがなんとかわかる？というレベルでしょう。

図1. 火星と比較した軌道の大きさ		図2. 見かけの大きさ比べ

どちらの衛星も軌道の離心率は小さく、楕円軌道が原因による距離の違いの影響はとても小さいのですが、図1のように、 フォボスの軌道は火星に近い（火星半径の2.76倍）ため、火星のどこから見るかで、フォボスまでの距離が変わり、天頂付近に見える時に大きく見え、 地平線近くに見える時には小さく見えます（図3）。よく、“地平線近くの月は大きく見える”と言われますが、 火星でフォボスを見ると同じくらいに見えるのでしょうか？

なお、図2の月との比較の図は、この天頂付近の大きい時の大きさです。また、デイモスくらい離れると、この大きさの違いは目立たなくなるでしょう。

天頂近く	地平線近く
図3. フォボスの大きさ変化

ちなみに、フォボスもデイモスも球形との違いが明らかな、三軸不等天体です。したがって、どの方向から見るかによって見かけの大きさが変わります。 フォボスもデイモスも地球の月と同じように、自転周期が公転周期と同期していて、同じ面を火星に向け続けているそうです。 ところが、どの面を火星に向けているのかについては、情報を見つけられませんでしたので、確かなことはわかりません。 しかし、潮汐力を受けて力学的に安定しているということは、“最も長い軸が火星面に垂直”、 すなわち“最も小さい面積が見えている”のだろうと勝手に推定して図2の値を求めています。

実は、火星面探査機のキュリオシティがフォボスによる日食を撮影しています（図4）。 今回、私が火星から見た太陽の大きさも計算して日食の図を作成してみたところ、わりと似た感じになりましたので、上に書いた仮定はだいたいよさそうな感じです。

図4. 火星から見たフォボス日食
左: キュリオシティ撮影	右： 今回の計算値

この写真を見ると“もうちょっとフォボスが大きければ皆既日食になったのに”と思ってしまいますね。 ただし、フォボスは火星のすぐ近くを公転していますので、日食の時間はとても短く、部分食の開始から終了まで35秒間だそうです。 ということは、ぎりぎりで皆既日食になった場合、まさに一瞬の現象。ただ、公転1回毎に火星のどこかで日食になりますし、公転周期は0.319日ですから、 “1日に2回の日食”ということもありそうです。

２　見かけの明るさ

火星面から見たときの明るさも計算してみました。当然満ち欠けによって明るさが変わるのですが、満月状態の場合、「フォボスは −9等、デイモスは−5等」くらいでした。 火星の夜空ではどちらもかなり目立つ存在と言えそうです。フォボスの−9等は上弦の月と同じくらいですから、夜空をある程度照らすでしょう。 でも、火星では大気が薄いし、満月のときには皆既月食となるのが普通ですから、“月明かりが邪魔”ということはそれほど感じないのでは？と推測できます。

３　天球上の動き

火星の自転周期は24時間37分ですから、地球の自転と近く、太陽や星座の日周運動については地球上と同じような動きをすることになります。 地球の月では、その公転運動のために、日周運動が星々よりもわずかに遅くなりますが、大した違いではありません。 しかし、フォボスとデイモスは公転周期が短いので、星々と全く違う動きをすることになります。

3-1　フォボスの動き

フォボスの公転周期は7時間39分しかありません。火星の自転周期よりもずっと短いのです。すると、どのような動きをするように見えるのかわかりますか？

火星の自転とフォボスの公転の様子を図5に示しました。フォボスがＦにいるとき、火星面上のＭからはフォボスと星Ｓが天頂方向に見えています。 それから2時間経つと、自転によりＭはＭ’に、公転によりＦはＦ’に移動するのです。火星面上のＭ’にいる人からは、星Ｓは天頂より右（西）に見えますが、 フォボスはその反対側に見えます。すなわち、フォボスは「西から上って東に沈む」のです。

図5. 火星の自転とフォボスの公転

火星面上でフォボスが南中してから次に南中するまでの時間を計算すると火星の0.45日となります。このため、一夜（0.5日）のうちに次のようなことが起きます。

火星の日没直後に西の空に細く欠けたフォボスが上ってくる場合
→ どんどん東へ向かい、東の空高くで満月状態に
→ 深夜に下弦前の状態で沈んでいく（地球の23時半頃相当）
→ その後しばらくフォボスが見えない
→ 明け方に、西の空からほぼ満月状態で再び上ってくる（地球の5時頃相当）

地球の常識とは明らかに違う世界ですね。フォボスが見えない夜はなく、一夜のうちに満ち欠けがどんどん変わるのです。 毎夜のように皆既月食も見られるでしょう （月食が起きない時期も短期間あるかもしれません；データ不足で不明）。
イメージできましたか？

3-2　デイモスの動き

デイモスの公転周期は30時間19分です。火星の自転周期よりも長いので、こちらはちゃんと東から上って西に沈みます。 ただし、火星の自転より少しゆっくりしているだけです。

3時間の火星の自転とデイモスの公転の動きを図6に示しました。火星面上でＭがＭ’まで自転する間に、デイモスはＤからＤ’まで公転します。 デイモスの方が少し遅れていますが、それでもかなりよく追いかけていますね。すなわち、火星面上で見ていると、デイモスの動きはとてもゆっくりなのです。

図6. 火星の自転とデイモスの公転

火星面上でデイモスが南中してから次に南中するまでの時間を計算すると火星の5.32日となりました。このため、デイモスが東の空から上りだしてから、 西の空に沈むまでに半分の2.66日かかるので、その間に太陽が2〜3回近づき、新月〜満月までの満ち欠けが2〜3周するのです。 デイモスは小さいので、肉眼では満ち欠けがほとんどわからないでしょうが、双眼鏡を使うと十分見えるでしょう。 というわけで、これまた地球の常識とは全く違う世界です。

3-3　フォボスとデイモスの動き

今まで説明してきた動きは、イメージが難しいかもしれません。そこで、少しでもイメージの助けになればと、日周運動の様子を半球図（図7）にしてみました。

図7. 火星面上での日周運動　　（2時間分）

赤：フォボス，青：デイモス，黒：恒星

ステラナビゲータでは、“場所”を地球以外に設定することもできます。ぜひ、「火星」に設定し、フォボスとデイモスの動きを確認してみてください。

この文章は、私の所属する“さいたま☆天文同好会”の会報「まがたま」109号 （2020年 6月発行）に掲載したものを、一部書き直したものです。