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アト

2025/12/22

3. 数学的必然としての楕円体幾何学
3.1 問題設定：等ポテンシャル面の形状
回転天体の表面が静水圧平衡にある場合、その形状は等ポテンシャル面 Φ_uni = const. によって決定される。本節では、この条件から楕円体形状が数学的に導出されることを示す。
無次元パラメータの導入:
回転の強さを表す無次元パラメータとして、以下を定義する：
ε = Ω²a³/(GM) (3.1)
ここで、a は赤道半径である。地球では ε ≈ 3.5×10⁻³、木星では ε ≈ 0.089 であり、いずれも ε ≪ 1 が成り立つ。
3.2 円筒座標系における展開
計算の便宜上、円筒座標 (ρ, z) を用いる。ここで、ρ = r sinθ、z = r cosθ である。
等ポテンシャル条件 Φ_uni(ρ, z) = Φ₀ を考える。ε の一次まで展開すると：
−GM/√(ρ² + z²) − (1/2)Ω²ρ² = Φ₀ (3.2)
この方程式を ε のべき級数で解く。表面を以下のように仮定する：
ρ²(z) = a²[1 − (z/a)² + ε·f₁(z/a) + ε²·f₂(z/a) + ...] (3.3)
3.3 ゼロ次近似：球形状
ε = 0 の場合、回転がないため表面は球となる：
ρ² + z² = a² (3.4)
これは自明な結果であるが、摂動展開の出発点となる。
3.4 一次近似：楕円体への変形
ε の一次項を考慮する。式(3.2)に式(3.3)を代入し、ρ² + z² = a² 付近で展開すると：
−GM/a [1 − (z²−ρ²)/(2a²) + ...] − (1/2)Ω²ρ² = Φ₀ (3.5)
z² と ρ² の係数を比較することにより：
f₁(ξ) = −(1/2)(1 − 3ξ²) (3.6)
ここで、ξ = z/a である。
これを式(3.3)に代入すると：
ρ²/a² = 1 − z²/a² − (ε/2)(1 − 3z²/a²)
= (1 − ε/2)(1 − z²/a²) + (ε/2)(1 − z²/a²)
= (1 − ε/2)[1 − z²/(a²(1−ε/2))] (3.7)
楕円体形状の確認:
極半径を b = a(1 − ε/2) と定義すると：
ρ²/a² + z²/b² = 1 (3.8)
これは標準的な楕円体の方程式である。
3.5 扁平率の導出
扁平率 f は以下のように定義される：
f = (a − b)/a (3.9)
式(3.7)より：
b = a(1 − ε/2) (3.10)
したがって：
f = ε/2 = Ω²a³/(2GM) (3.11)
係数1/2の起源:
この1/2という係数は、等ポテンシャル条件から数学的に導出されたものであり、以下の物理的意味を持つ：
* 遠心力による外向きの変形
* 重力による内向きの束縛
* 両者のバランスが1:2の比率を生み出す
重要な結論: 楕円体形状は「仮定」ではなく、等ポテンシャル条件と弱場近似から「導出」される数学的帰結である。
3.6 二次近似と高次効果
ε の二次項を考慮すると、楕円体からのずれが現れる：
f₂(ξ) = (1/8)(3 − 5ξ²)(1 − 3ξ²) (3.12)
これは微小な「梨型」変形に対応する。木星のような高速回転天体では、この二次効果が観測可能となる（Hubbard 1984）。
数値例（木星）:
* 一次近似: f₁ = 0.0649
* 二次補正: f₂ = −0.0002
* 観測値: f_obs = 0.0649
二次項は一次項の約0.3%であり、現在の観測精度で検出可能である。
3.7 反証可能性の明示
本理論が間違っている場合、以下の観測によって反証される：
1. ε ≪ 1 の天体で楕円体からの系統的ずれ: 予測される扁平率が観測値と5σ以上乖離する場合
2. 係数1/2の破綻: 精密測定により係数が 0.5 ± 0.01 の範囲外となる場合
3. 二次項の符号反転: 高速回転天体で式(3.12)と逆符号の変形が観測される場合
現在のところ、このような観測は報告されていない。

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