2017年06月07日

宇宙に関する豆知識ほぼ総動員 〜宇宙空間に意識を向けて〜

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[2017年6月9日更新]




宇宙に関して知っていることをまとめました。

ただし、再利用の際にはご自身で確認されることをおすすめします。

古代の昔から宇宙に関する問いかけはあり、三千世界やキリスト教による弾圧など、世界観や時代の雰囲気に大きな影響を及ぼしてきました。

近代になって、天からのふみを読み解く学問分野として天文学が誕生しました。

また、宇宙全体の現象として宇宙論、宇宙空間に存在するガス雲などで生じる化学・物理学的な現象を取り扱う宇宙環境物理学、恒星で起きる現象を論じる宇宙物理学などが誕生しました。

宇宙は空間の意味の宇と、時間の意味の宙を合わせて宇宙です。

英語のUniverseは、この宇宙全体のことであり、1つの宇宙という意味です。

宇宙論において理論によっては、我々の住んでいるこの宇宙の外側に複数の宇宙が存在してそれぞれの膨張スピードより速く遠ざかっていたり、高次元空間内にあるので上手くぶつからないようになっているという理論があり、それらの複数の宇宙のことをMultiverseと呼ぶそうです。

太陽系近辺の宇宙のことをSpaceと呼びます。スペースシャトルなどのスペースはこれです。

他にも、Cosmosという英単語もあります。

我々の住んでいる太陽系が属している銀河の名前は天の川銀河(Milky Way、銀河系ともいう)です。

お隣りの銀河はアンドロメダ銀河です。

夏になると見られる天の川は天の川銀河の中心の方を見ています。

よく天の川銀河の写真で、ところどころ黒く見えるところがありますが、地球と天の川銀河の中心の間に、ガス雲が漂っていて、天の川銀河の中心からの光を吸収して少し温まっているのですが、可視光線を発するほどには温まっていないので、暗くなっているためです。

太陽の誕生と太陽系の誕生はほぼ同時です。

太陽系の惑星・衛星・準惑星も太陽系とほぼ同時に誕生しました。

地球の年齢は47億年です。

太陽の寿命はおよそ100億年で、今47億歳なので、あと50億年ほどで太陽の寿命がきます。

太陽の寿命がきたとき、超新星爆発が起きます。

超新星爆発の寸前には太陽は少し膨らみます。本当は少しどころではないです。

その膨らみが一気に縮んで、外側の殻と内側の殻が同時に太陽の中心に当たって、外側の殻の方がバウンドして太陽系もろとも吹き飛ばすような爆発の現象が起きます。

それによって太陽系が無くなります。

200億年後には天の川銀河とアンドロメダ銀河は衝突します。

衝突と言っても、恒星と恒星がぶつかるのではなく、銀河と銀河の衝突なので、星ごとの衝突でなく、銀河全体の形が重力によってグニャっと変形して、2つの銀河が合体していくような変形を遂げるのみでしょう。

1000億年後には、天の川銀河の内側からは、他の銀河が見えなくなります。

これを、昔の表現で例えて島宇宙と呼んだりします。

これは、宇宙全体が膨張していて、その膨張自体も速まっているという加速膨張であるため、そのうち他の銀河からの光が届かなくなるようなスピードの膨張になるためです。

宇宙の膨張を人類が初めて知ったのはハッブルによる観測からでしたが、比較的地球の近所の星ばかり見ていたので、グラフに距離と速度をプロットした後で斜めの直線を描くときに、「よく引けたな」というくらいのセンスで引いた線だったそうです。

ただ、より遠方の銀河のデータも後々観測されてグラフの領域が広がると、たしかに斜めに直線が引けるグラフとなって、ハッブルのデータはそのごく一部分であったことがわかりました。

ハッブルによる観測の動機は、アインシュタインの一般相対性理論による帰結の1つとして宇宙の膨張が予言されたからです。

アインシュタイン自身は宇宙は無限の過去から続く静的(static)な宇宙だと信じていたため、計算の結果に悩みもしたそうです。

一般相対性理論は宇宙に対して非常に多くのヒント・問いかけをもたらしています。

その1つにブラックホールの存在があります。

いわゆるブラックホールと呼ばれているのは、黒く見える円もしくは球の領域ですが、これは事象の地平線(地平面)と呼ばれています。

重力が強く、時空の歪みも大きく、光も出られないため、黒く見えています。

ブラックホール自体は、事象の地平線内にある点状の天体です。

ここに、多くの質量が集まっています。

その領域の体積がゼロであると考えられているため、この点での質量密度は無限大と考えられています。

ブラックホールの蒸発という現象が考えられていて、そのためブラックホールの熱という概念もありますが、1点に無限大の質量密度が集まっているので粒子は動けず熱は無いのではないかというホーキング・パラドックスが提唱されました。

しかし、超弦理論という素粒子論の一分野において、弦が凝縮して出来た膜を考えたり、高次元の存在を考えてこの3次元以外の次元内で動けることで熱が生じていると考えることでパラドックスが解かれています。

事象の地平線の内側では、時間と空間が、通常の振る舞いをしなくなるそうです。

2つのブラックホールが合体するときは、非常に大きな質量同士が引き合って引き合って回転しまくりながら、やっと合体するため、その付近の時空には同心円のような形状の重力の波が生じて遠方まで達します。

この短い間隔での重力の強弱が生じる現象が重力波で、LIGOという観測装置によって観測されました。

LIGOが重力波を観測したときには、非常に小さな重力の振動を観測するため、LIGOが設置されている地面からの小さな地震の影響も考慮する必要があります。

そのため、アメリカ国内で2箇所に観測装置を設置していて、その両方で同じ振動を観測したこと、さらに、2箇所で観測した振動の波形がどちらも地震の影響である確率を計算して、その確率が数千万年(?)に一度であることにより、地震の影響でないとして重力波の検出に成功したと結論付けました。

2つのブラックホールが合体した後、2つのブラックホールの質量の和よりも合体後のブラックホールの質量の方が小さいです。

太陽が何個分かの質量が減っているのですが、その質量が重力波として発散されます。

そのため、非常に遠方であるにもかかわらず、重力波の形で届きます。

宇宙論のお隣りの学問分野として、素粒子論があります。

素粒子論は非常にミクロの物理現象を取り扱う分野です。

どれくらいミクロかというと、人類が科学でたどり着ける最小のスケールです。

現代でいうと、プランクスケールであり、長さのスケールでいうと$\displaystyle10^{-35}\mathrm{m}$ほどです。

宇宙が誕生したときはビッグバンと言われがちですが、その寸前にはインフレーションというビッグバンよりも速いスピードで膨張する時期がありました。

それらの頃には宇宙もミクロだったので、ミクロの物理学が必要であり、素粒子論的宇宙論という分野があります。

インフレーションより以前の宇宙については諸説あるという状態です。

例えば、虚数時間から現在の時間にシフトチェンジしたとする理論があります。

宇宙論によってはサスカインドのランドスケープという$\displaystyle10^{500}$種類の宇宙のパターンが考えられる宇宙論があります。

その中の1つが、我々のこの宇宙というわけです。

ただ、それだけ多くのパターンがある中で、この宇宙に我々が生まれたという確率は非常に小さく、それだけ多くの宇宙の中でなぜこの宇宙に生まれているのかというパラドックスのような疑問もあります。

そのため、$\displaystyle10^{500}$種類から、少なくしていこうという発想もあります。

宇宙を眺める望遠鏡はハッブル宇宙望遠鏡のように、地球の大気圏外にあるものもあれば、ハワイのマウナケア山にあるすばる望遠鏡もあります。

すばる望遠鏡のレンズは、すばるに運ばれるまで、トラックに載せて道路を走ったりしました。

レンズ自体が大きいので、道いっぱいに広がった状態で運ばれていきました。

また、マウナケア山はハワイの先住民族にとっては神に近い神聖は領域であったため、そこに望遠鏡の施設を建設することは、先住民族との折衝を乗り越えてのことでした。

望遠鏡で天体を観測するとき、レンズ自体が大きいので、レンズの下から棒をいくつか当ててあり、それらを大道芸のように動かして別の天体へと向けます。

もちろん機械操作です。

惑星は恒星の周りを公転していますが、その軌道は楕円軌道となっています。

その楕円の焦点の1つに恒星がありますが、もう1つの焦点のことがエカントと名付けられていた時代もありました。

また、人類が楕円軌道で公転という答えにたどり着くまでに色々な歴史がありました。

公転でなく、太陽が地球の周りを回っているのでは、という時代もありました。

その時代に、いや、地球が太陽の周りを回っているんだと言ったコペルニクスという人による、大いなる発想の転換がコペルニクス的転回と呼ばれているものです。

その考え自体がキリスト教の教えに真っ向から反していたため、コペルニクスは処刑されました。

宇宙が始まったビッグバンの時には宇宙は明るく、そのことをキリスト教の「光あれ」に例えることも可能です。

あらゆる星が地球の周りを回っていると仮定していて、星の運動を説明しようとしていた、とある時代、地球を中心とする何枚かの透明な球面があり、各星はその球面にくっついていて、球面が回転しているという考えもありました。

そんなこんなの宇宙論がありつつ、やはり惑星の動きは地球から見ると、一旦戻ってまた進むというような動きを見せ、惑っているのか惑わせるのか不明ですが、当時の天文学者たちを惑わせました。

私も幼いころには地球は平坦で地球の端っこでは海が流れ落ちていると考えていたときがありましたが、実際そのような宇宙観もあったそうです。

ほかには、半球の地球の下に、象や蛇や亀などが組体操のような状態で立っているという描像もあります。

キップ・ソーンという物理学者が考案した過去へのタイムトラベルの方法は未だに理論的に否定されていないそうです。

その方法は、ブラックホールをほぼ光速でニアミスさせて、その間に飛び込むというものです。

宇宙の膨張が延々と進んだ後、あらゆる物質が素粒子レベルに分解されて、それらがぶつからないほど遠ざかるため、もはや熱という概念が無く、宇宙の熱的死という状態と呼ばれています。

これは宇宙が膨張し続けるという前提ですが、宇宙によっては途中で膨張が止まったり、膨張が止まって収縮が始まったりする宇宙もあり得るそうです。

我々が住んでいるこの宇宙がどれに当てはまるかについは、よく$\Omega$というパラメータがあります。

その$\Omega$が1より大きければ膨張し続ける宇宙だそうですが、観測の結果、1よりほんの少し大きいそうです。

そのため、観測技術の精度が良くなって、より精細な観測ができるようになったときに計算すると1だったり1よりほんの少し小さい、ということもあり得るかも知れないです。

膨張が止まって、収縮に転じる宇宙の場合、最終的に1点になるのですが、このことをビッグクランチといいます。

宇宙が収縮しているときには、エントロピーが減り、時間の矢の向きに関連する物理量ですので、時間の進む向きが逆向きになり、これまでの過去が逆再生されることとなります。

その時間の中で人々はどんな意識で生きるのかという質問を松田卓也教授が受けたところ、それでも彼らは普通の時間として生きているのでは、と回答しました。

大学の理学部に設置されている宇宙に関する学科には、天文学科、宇宙物理学科、物理学科があります。

観測可能な宇宙の限界とは、宇宙の年齢$\times$光速ですが、その138億光年より外側にも宇宙は広がっていて、およそ500億光年ほどはあるそうです。

というのも、今の宇宙膨張のスピードが光速を越えているため、その分が観測可能な宇宙の限界の外側の領域となっています。

宇宙膨張が加速的になったのは比較的最近で、だいたい80(60?)億年ほど前からです。

宇宙に関するプロジェクトは多々あり、Mitaka、4D2U、新宇宙図などです。

団体としては、NASA、JAXA、HAKUTOなどがあります。

NASAのYouTubeオフィシャルアカウントで、宇宙ステーションからの映像をライブ配信しています。

個人の宇宙旅行は宇宙ステーションにおいて実現されています。

宇宙空間と地上を結ぶ宇宙エレベータは、カーボンナノチューブという物質で実現される見込みで、東京スカイツリー建設を担当した大林組が取り組んでいます。

ちなみに私の宇宙空間に関する視界的なイメージは銀河鉄道999や相対性理論で醸成されました。



現代の天文学は目に見える光以外にも光を観測して天体を観測しています。

「目に見える光」というのは物理学というと可視光線です。

可視光線は波長が$380\mathrm{nm}\sim780\mathrm{nm}$の電磁波です。

そこ以外の波長の電磁波ももちろん存在します。

可視光線より波長が長いものには赤外線、ラジオ波などがあります。

可視光線より波長が短いものには紫外線、X線、ガンマ線などがあります。

宇宙空間から様々な電磁波が降り注いでいますが、大気圏に吸収された結果、可視光線ばかりが地上に降り注ぎ、人間などの動物は可視光線が見えるようになっています。

ということは、宇宙空間にあるハッブル宇宙望遠鏡では可視光線以外の電磁波がよく見える状態にあるということになります。

実際、宇宙望遠鏡を用いて赤外線や紫外線、ガンマ線などの波長領域での天体観測が行われていて、各々の天文学が築かれています。

宇宙を眺める目は他にもあり、電磁波でないニュートリノを観測することで天体現象を観測する天文学があります。

その名もニュートリノ天文学といい、小柴昌俊さんがパイオニア的貢献によりノーベル賞を受賞されました。

ニュートリノは物質とほとんど反応しないため、レンズを構えているだけでは観測は無理です。

そのため、水を大量に貯めた円柱形のドームを地下に建設して、その大量の水分子のどれかと反応したニュートリノが発する光を光電子増倍管という浜松ホトニクスの技術の結晶で測定します。

その場所が神岡(Kamioka)鉱山であり、ニュートリノ検出実験(Neutrino Detection Experiment)を行うので、Kamioka + NDE = カミオカンデと呼ばれています。

ペルセウス座やヘラクレス座、かに座、てんびん座など、ギリシャ神話のストーリーから名前が付けられた天体があります。

銀河系(天の川銀河、Milky way)周りのダークマター(暗黒物質)の影響で、銀河の円盤は、円盤がうねるように上下に揺れています。

そのペースは15億年で9回です。

また、銀河系の比較的近くのマゼラン雲(大小2個)により銀河系周りのダークマターが揺さぶられ、そのダークマターにより銀河系が揺さぶられます。

二間瀬さんはおとなしめで、海部さんが外交的で、二人のコンビで研究が増進されたというケースがあります。



posted by Line Segment at 18:00 | Comment(0) | TrackBack(0) | 日記 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする