双眼鏡で木星を見ると、白く輝く本体のすぐ脇に、小さな光の粒が一列に並んでいるのが見えます。1610年、ガリレオ・ガリレイが自作の望遠鏡で見たのも、これと同じ光景でした。
彼が驚いたのは、その並び順が毎晩入れ替わることでした。地球のまわりを回っていない天体が、確かにそこにあったのです。「すべての天体が地球を中心に回っている」という考えに、強い疑問を投げかけました。
その4つが、いま「ガリレオ衛星」と呼ばれている天体です。同じ木星のまわりで生まれた4つの衛星なのに、その表面はまるで違います。片方は溶岩を噴き上げ、もう片方は分厚い氷に覆われています。
この違いを生んだのは、木星からの距離と、それによって変わった組成、そして木星と衛星どうしの重力が生み出す「熱」でした。
ガリレオ衛星とは？｜木星最大の4つの衛星
木星には、国際天文学連合が正式に認めた衛星が115個あります（2026年8月時点）。太陽系でも最多クラスの大家族です。
ただし、そのほとんどは差し渡し数キロメートルほどの岩のかけらで、大型望遠鏡でようやく見つかるような天体です。桁が違うのは、内側から数えて4番目までの4つだけ。
| 衛星 | 直径 | 木星からの平均距離 | 公転周期 |
|---|---|---|---|
| イオ | 約3,640km | 約42万km | 1.77日 |
| エウロパ | 約3,120km | 約67万km | 3.55日 |
| ガニメデ | 約5,270km | 約107万km | 7.15日 |
| カリスト | 約4,820km | 約188万km | 16.69日 |
地球の月が約3,470km、惑星である水星が約4,880kmですから、4つとも月と同等かそれ以上の大きさを持っています。とくにガニメデは水星より大きく、太陽系最大の衛星です。
つまり「木星の4つの最大の衛星」とは、そのままガリレオ衛星のこと。1610年に見つかった4つが、いまだに木星系の大物であり続けています。
そして、この表の並び順そのものが、4つの個性を決めていました。
4つの個性を決めたもの｜1:2:4の軌道共鳴
もう一度、公転周期を見てください。1.77日、3.55日、7.15日。ほぼきれいに1:2:4です。
イオが4周するあいだに、エウロパは2周し、ガニメデは1周する。この関係は偶然ではなく、3つの衛星が互いの重力で歩調をそろえた結果です。軌道共鳴と呼ばれ、この3天体の場合は発見者の名からラプラス共鳴とも呼ばれます。
ブランコを思い浮かべてください。でたらめなタイミングで押しても揺れは大きくなりませんが、戻ってくる周期に合わせて押せば、小さな力でも振れ幅が育っていきます。3つの衛星は、互いの位置関係が繰り返しそろう周期に入り、小さな重力の引っ張り合いを何度も受けるようになりました。
問題は、この共鳴が何をもたらすかです。
なぜ軌道共鳴で衛星が熱くなるのか｜潮汐加熱
本来、衛星の内部で潮汐による変形が繰り返されると、そのエネルギーが熱として失われ、軌道の楕円は少しずつ円に近づいていきます。ところがイオ・エウロパ・ガニメデは軌道共鳴に入っているため、互いの重力が働き、軌道の楕円形が保たれます。つまり、円に戻ろうとする働きと、共鳴によって楕円を保とうとする働きがせめぎ合っているのです。
楕円軌道では、木星との距離が1周のあいだに変わります。距離が変われば、衛星を引き伸ばそうとする力の強さも変わる。結果として、木星との距離が変わるたびに、衛星の形がわずかに変化します。
針金を同じ場所で何度も折り曲げると、折り目が熱くなります。あれと同じことが、直径数千キロメートルの星全体で起きています。これが潮汐加熱です。天体を引き伸ばす力そのものについては、距離によって重力の効き方が変わるしくみの記事で扱っています。
この力は、木星に近いほど急激に強くなります。だから変形が最も大きいのは内側のイオ、次がエウロパ、ガニメデはごくわずか。
そしてカリストは、この共鳴に加わっていません。軌道はほぼ円に近く、木星からも遠い。伸び縮みする理由がないので、内部を温める熱も生まれません。
木星に近い衛星ほど潮汐の影響を強く受けやすく、特にイオでは猛烈な潮汐加熱が起きています。この一本の軸が、4つの顔を分けました。順に見ていきます。
イオ｜太陽系で最も火山活動が激しい衛星
木星から約42万キロメートル、1.77日で1周。共鳴の最も内側にいる天体です。
ボイジャーが撮影した写真を見た科学者たちは、目を疑ったといいます。表面が黄色や橙色にまだらに染まり、焼きすぎたピザのようだったからです。この色は、硫黄と二酸化硫黄の霜によるものでした。
イオはNASAが「太陽系で最も火山活動が活発な天体」と表現する星です。数百の火山が確認されており、噴き上げられた物質が数百キロメートルの高さに達する様子が探査機に撮影されています。
面白いのは、その熱の出どころです。
地球の内部には、地球が生まれたときに残った熱や、放射性元素の崩壊による熱があります。一方、イオでは木星と衛星どうしの重力によって、内部が絶えず変形させられています。つまりイオでは、外から繰り返し「こねられる」ことそのものが、強力な熱源になっているのです。
太陽からこれだけ離れていながら、イオの内部が溶けているのは、太陽になり損ねたほど巨大なガス惑星のすぐそばを回っているからにほかなりません。
エウロパ｜氷の下に巨大な海を持つ衛星
3.55日で1周するエウロパは、イオより変形が弱いものの、内部を溶かすには十分な熱を受け取っています。ただし表面の温度はマイナス160度ほど。表面だけが凍りつき、その下に液体が残るという構造になりました。
氷の厚さは、探査機ジュノーの観測から少なくとも約15〜25 km程度と見積もられています。この厚さがどう測られたのかは、別の記事にまとめました。
そしてNASAは、その氷の下に地球の全海洋の約2倍にあたる水があると見積もっています。表面に走る無数のひび割れは、氷が今も動いている痕跡です。
地球の深海には、太陽の光が届かない場所で熱水を吹き出し、そこだけで生態系を成り立たせている熱水噴出孔があります。エウロパの海底でも、岩石と水の反応や熱水活動によって、生命が利用できるエネルギーが生まれている可能性があります。だからこの星は、生命が存在しうる環境として有力な候補地の一つに挙げられています。断っておくと、生命の証拠が見つかったわけではありません。あくまで「条件がそろっている」という段階です。
2024年10月14日、NASAはこの海を確かめるための探査機エウロパ・クリッパーを打ち上げました。2030年に木星系へ到着し、エウロパの上空を50回近く通過する計画です。氷の下へ降りるわけではなく、上空から氷の厚さと海の広がりを測るのが役目。氷を貫いて海に触れる探査は、その先の課題として残されています。
ガニメデ｜太陽系最大で、磁場を持つ衛星
直径約5,270キロメートル。惑星である水星より大きい、太陽系最大の衛星です。
ただし、質量は水星の半分ほどしかありません。岩石と鉄でできた水星に対し、ガニメデは中身の多くが氷だからです。大きいけれど、軽い星なのです。
それでも中心には、液体の鉄でできた核があると考えられています。そしてガニメデは、自分自身の磁場を持つことが知られている唯一の衛星です。地球と同じように極地ではオーロラが光り、その様子はハッブル宇宙望遠鏡がとらえました。2015年には、オーロラの揺れ方の解析から、地下に電気を通す層、つまり塩水の海が存在する証拠が示されています。
内部は、氷の層と水の層が何段にも重なった構造になっているという説もあります。地球よりはるかに大量の水が、この巨体の中に閉じ込められているのです。
もっとも、共鳴の一番外側にいるガニメデが受け取る潮汐加熱は、イオに比べればごくわずか。表面には古い暗い地形と、比較的新しい明るい地形が混在しており、地質活動が過去のどこかで止まったことをうかがわせます。
なお、この名はギリシャ神話で大神ゼウスにさらわれた美少年ガニュメデスに由来します。同じ物語は水瓶を持つ少年が空に上げられた星座にも刻まれています。
ESAの探査機JUICEが2031年に木星系へ到着し、最終的にガニメデを周回する予定です。地球の月以外の衛星を周回する探査機は、これが初めてになります。
カリスト｜古い地表を残すクレーターの星
16.69日で1周するカリストは、1:2:4の関係に加わっていません。軌道はほぼ円で、木星からの距離も約188万キロメートルと離れています。伸び縮みが起きないので、内部を溶かす熱も生まれませんでした。
その結果が、表面に残ります。イオやエウロパでは火山活動や氷の移動が地形を上書きし続けますが、カリストにはそれがありません。NASAが「太陽系で最もクレーターの多い天体」と呼ぶほど、約40億年前から残る古い地表が、消されないまま残っています。
最大の見どころはヴァルハラ盆地です。巨大な天体が衝突した跡で、中心から約1,900キロメートルの範囲に、池に石を投げ込んだときの波紋のような同心円状の地形が広がっています。太陽系初期に何が起きていたのかを、そのまま保存した記録装置と言えます。
ただし、地味な星というわけでもありません。探査機ガリレオの磁場データからは、カリストの地下にも塩水の海がある可能性が指摘されています。熱が足りないはずの星に、なぜ液体が残っているのか。まだ解決していない疑問です。
そしてもう一つ、カリストには実用的な取り柄があります。木星のまわりには人間が短時間で致死量を浴びるほどの放射線帯が広がっていますが、最も外側を回るカリストはその外側にいるため、被曝量が桁違いに小さいのです。水も豊富にあります。NASAが2003年にまとめた有人外惑星探査の構想でも、木星圏に人が滞在するならカリストが拠点候補として検討されました。
まとめ：木星が「ミニ太陽系」に見える理由
4つの違いを、一本の線で振り返ります。
- イオ・エウロパ・ガニメデは1対2対4の軌道共鳴にあり、軌道が楕円に保たれている
- 楕円軌道は伸び縮みを生み、その摩擦熱が内部を温める（潮汐加熱）
- 木星に近いほど変形が大きいので、内側ほど熱い
- 共鳴の外にいるカリストだけは加熱されず、40億年前の姿のまま
太陽系では、太陽から近いほど温かく、遠いほど冷たいという「距離の違い」が惑星の性質を大きく左右しています。
木星の4つの衛星にも、少し似た並びがあります。
ただし、原因は太陽の光ではありません。木星に近い衛星ほど強い潮汐の影響を受け、さらにイオ・エウロパ・ガニメデでは軌道共鳴によって内部の熱が保たれています。その結果、木星系では「太陽の距離」ではなく「木星との距離と重力」が衛星の性質を大きく変えているのです。この意味で、ガリレオ衛星は「ミニチュアの太陽系」のように見えながら、その中ではまったく別の物理が働いています。
もっとも、衛星が必ずこうした素性を持つとは限りません。惑星の自転と逆向きに回る衛星は、惑星の周囲でそのまま形成されたのではなく、別の場所から捕獲された可能性を示す重要な手がかりです。逆向きに回る海王星の衛星は、この4兄弟とはまったく違う来歴を持つ天体です。
ここまでの話は、すべて双眼鏡で確かめられます。倍率7倍程度の双眼鏡を固定して木星に向ければ、4つの点を見分けられます。木星の手前や裏側に回り込んでいるものは見えないこともありますが、並び順が日ごとに変わる様子は十分に追えます。木星と衛星を実際に見るときのコツは、観察ガイドにまとめました。
今夜、木星の脇に並ぶ光の点を見つけたら、その並び順を覚えておいてください。翌日には、その並び方が変わっていることがあります。動いているのは、火山を噴き上げる星であり、氷の下に海を抱えた星であり、磁場を持つ巨人であり、40億年動かない証言者です。
ガリレオが400年前に見た4つの点は、今夜も同じリズムで木星を回っています。
参考文献
