なぜ北極星が北極点と等しくないと言われるのですか?

この記事では、「なぜ北極星が北極点と等しくないのか」をテーマにした科学普及を行っています。地球は完全な球体ではなく、太陽と月の重力による地軸の動きによって、北極点が約26,000年ごとに北黄道極を中心に回転し、北極星の対応する星もそれに合わせて変化することを説明しています。また、地軸の動きが引き起こす歳差運動についても説明しています。

なぜ北極星が北極点と等しくないと言われるのですか?

私たちは、空に散らばっている星が球面(天球)に分布していると考えています。地球の自転軸と天球が交差する2つの点のうち、地球の北極に相当する点は北極星と呼ばれています。北極星の近くに小熊座があり、この星座で最も明るい星「小熊座α」は、北極星に非常に近く、両者の距離は1度未満であるため、北方を示す天然の目印となっています。小熊座は比較的安定した星座ですが、地球の自転軸が宇宙空間に向かう方向は固定ではありません。地球は完全な球形ではなく、赤道部分がわずかに突出し、極地部分はわずかに平坦です。さらに、地球の自転軸と地球の公転軌道(黄道面)が約66.5度の角度で交差し、太陽は地球の赤道面に沿って地球に作用し、月もこの方向付近に作用します。その結果、地球の赤道が突出している部分を黄道面に引き込もうとする力が発生します。しかし、地球は自転しており、その慣性によって地球の自転軸は地球の中心を通過し、黄道面に垂直な軸を中心に円锥形に回転します。この地球の自転軸の運動を進動と呼びます。
地球の自転軸の進動により、北極星は北天極を中心に回転し、岁差運動が発生します。地球の自転軸の進動により、北極星は星空に関して約26,000年ごとに大きな円を描きます。この円の半径が示す角度は、地球の赤道面と黄道面の角度、つまり約23.5度です。したがって、私たちが今日小熊座α星が北極星に非常に近いと見えるのは、一時的な偶然にすぎません。4,500~5,000年前、北極星は天龙座α星(中国古代では「右枢」)の近くにありましたが、右枢星は4等星で目立たない星でした。そのため、周、秦の時代、私たちの祖先は「帝星」を北極星として使っていました。この星は小熊座β星で、2等星でした。時間が経つにつれ、北極星は小熊座α星の方向に移動し、ますます本格的な「北極」星になりました。しかし、この傾向は永続するものではありません。2100年頃、北極星と小熊座α星の角度距離が最小(約28′)になった後、北極星は小熊座α星から離れていきます。さらに12,000年後、北極星は织女星の近くに移動し、织女星が新しい北極星になります。织女星は非常に明るい星で、現在の北極星よりも見つけやすくなるでしょう。
北極星の変化に伴い、地球の自転軸の進動による岁差運動も発生します。地球の赤道面が黄道面に交差する点を春分点といいます。進動の作用により、春分点は毎年黄道を中心に東に50″程度移動します。春分点の移動により、太陽が毎年同じ時刻に天空に位置する場所が微小に変化し、長時間にわたって累積すると、太陽が星空の背景に対して移動していることがわかります。この運動を岁差運動と呼びます。