なぜ太陽はこんなにゆっくり自転するのでしょうか?失われた角運動量の謎

太陽系における運動モーメントの分布 — *太陽、巨大惑星、その他の天体間の角運動量の分布。画像出典:astronoo.com （新しいウィンドウ）*

キネティックモーメントとは何ですか?

ザキネティックモーメント点に対する物体の回転量を測定するベクトル量です: \( \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} \)

\( \vec{L}\): 角運動量 (または角運動量)、\( \vec{r}\): 基準点 (原点) から移動する物体に向かう位置ベクトル、\( \vec{p}\): 物体の移動量 (または運動量)。

運動モーメント定理

角運動量保存の法則は、古典力学および量子力学の基本原理です。それは、孤立系 (合成外力が運動量を及ぼさない) では、総角運動量が保存されると述べています。

物理的な例

スケーターが腕を体に近づけると、回転が加速します（慣性モーメント \(I\) の減少により、角速度 \(\omega\) が増加します。なぜなら \(L = I\,\omega = \text{一定}\) だからです）。
惑星は太陽に近づくと速度が増します（ケプラーの第2法則：角運動量の保存）。
ジャイロスコープは、角運動量の保存により回転軸を固定します。傾けようとすると、歳差運動で反応し、外部トルクがない場合の角運動量の安定性を示します。
孤立した原子では、電子の軌道角運動量は保存されます。しかし、光子の放出や吸収などの相互作用がある場合、軌道角運動量は変化しますが、システム全体（電子 + 場）の総角運動量は保存されます。

太陽系の起源運動モーメントのパラドックス

回転する原始太陽雲が崩壊するシナリオでは、角運動量は保存されると予想されます。ただし、シミュレーションによると、角運動量伝達機構が存在しない場合、太陽は27日ではなく数時間ではるかに速く回転するはずです。

ザ角運動量太陽系全体の大部分は惑星、特に木星や土星のような巨大ガス惑星に集中しています。この事実は直観に反するものです。太陽には太陽系の質量の 99.8% 以上が含まれていますが、その総角運動量のわずか約 2% しか含まれていません。一方、木星と土星だけでこの角運動量の 90% 以上を占めます。

軌道角運動量の物理的定義

半径 \( r \) の円軌道を速度 \( v \) で運動する質量体 \( m \) の軌道角運動量 \( L \) は、 \(L = m \cdot r \cdot v\) で与えられます。

ケプラー型軌道の場合、 \( L \) は、中心天体 (ここでは太陽) の質量 \( M \) の関数として次のように表すことができます。 \(L = m \cdot \sqrt{G M r}\) ここで、 \( G \) は重力定数です。

太陽系の角運動量のパラドックスは、太陽と惑星の間の角運動量の予期せぬ分布に関連する天体物理学の謎です。

パラドックスの定量化

太陽系における角運動量の分布
体	角運動量(kg・m²/s)	全体の %	コメント
木星	1.9×10⁴³	60%	公転モーメントにおける支配的な惑星
土星	7.8×10⁴²	25%	2 番目の主要な貢献者
他の惑星	3.8×10⁴²	12%	天王星、海王星などが含まれます。
太陽（自転）	1.9×10⁴¹	~2%	低差回転
小惑星と彗星	~10³⁹	<0.01%	無視できる貢献

ソース：NASA 惑星ファクトシート（新しいウィンドウ）、ウォード＆カナップ 2002 （新しいウィンドウ）

このパラドックスを解決するために提案された説明

磁気ブレーキ: 若い太陽には強力な磁場があり、原始惑星系円盤と相互作用していたでしょう。この結合により、角運動量が太陽から円盤に伝達され、その回転が遅くなったと考えられます。
原始太陽風による移動: 太陽の出現磁場と結合した太陽風が角運動量を運び去ったでしょう。
惑星の移動: 巨大な惑星 (木星のような) は外側に移動し、太陽の軌道角運動量を損なうほど軌道角運動量を増加させたでしょう。
ガス円盤による潮汐効果: 太陽と原始惑星系円盤の間の潮汐力が角運動量を再分配したと考えられます。

矛盾の主な理由: 若い太陽の磁気ブレーキ

太陽系の角運動量のパラドックスを説明する主な理由は、若い太陽の磁場と原始惑星系円盤との結合に関連する磁気ブレーキです。

太陽系星雲の初期崩壊: ガス雲が重力で崩壊し、急速に回転する原始太陽を形成します (初期角運動量保存)。計算によれば、太陽は今日よりもはるかに速く回転するはずです。
磁場の重要な役割: 若い太陽には強力な磁場があり、その表面と周囲のガス円盤を結びつけていました。この磁場は「ブレーキ」として機能しました。磁力線は太陽の角運動量を外側の円盤（惑星が形成されている場所）に伝達しました。

太陽は、円盤、次に惑星の利益のために、その角回転運動量のほとんどを失いました。惑星は、遠く離れて形成されることにより、総角運動量の大部分を引き継ぎました。

なぜこの説明が支持されるのでしょうか?

若い星（おうし座T星など）の観察では、このメカニズムと一致して、時間の経過とともに星が減速することが示されています。
理論モデルと数値シミュレーションでは、この磁気結合を含めることで、太陽の遅い回転をより正確に再現できます。