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第２回　宇宙の中の地球

配付プリント等

• およそ150億年前にビッグバンにより誕生したといわれる宇宙の中で、私たちの銀河が生まれ、そしてその中で太陽系が誕生したのは46億年前頃である。その一員である地球は、私たちが知りうる限りでは、唯一の生命をもつ惑星である。授業では、宇宙の中で地球というのはどのようにして生まれ、進化してきたかについて説明する。

• ビデオ�@『ビック・バンと宇宙の誕生』（18分）〔NHKビデオ教材：大宇宙3〕
  『アンドロメダ銀河/渦巻銀河/棒渦巻銀河/クエーサー/ハッブルの観察/宇宙の膨張とその始まり/宇宙背景放射の観測/宇宙の誕生から銀河の形成/膨張し続ける宇宙/収縮し続ける宇宙』
  ビデオ�A『宇宙の大構造』（19分）〔NHKビデオ教材：大宇宙4〕
  『ハッブルのアンドロメダ銀河観測/遠い銀河/星数ほど多い銀河/棒渦巻銀河形成のコンピュータ・シミュレーション/局部銀河群とおとめ座銀河団/宇宙の大構造/泡宇宙/局部銀河群の運動/グレイトアトラクター/銀河分布シミュレーション』
• 配布プリント4枚。出席票。
  【1枚目】
  表1-2、表1-3、図1-4、図1-6…『宇宙からみた自然』（29,33,42,43p）
  図2-3、図4-10…『宇宙・銀河・星』（20,73p）
  図1-4、図1-8、図1-10、図2-10、図6-7…『太陽系と惑星』（4,12,13,38,183p）
  図5.1、図5.10…『地球惑星科学入門』（220,239p）
  （ハッブル定数の決定値表）…『手にとって見る宇宙』（220p）
  【2枚目】
  図3.58…『現代天文学要説』（133p）
  表2-1、図2-4、図3-3、表4-1、表4-2、表4-4、表4-5、図4-6、表5-2、図5-5…『宇宙からみた自然』（55,60,90,98,107,111,114129p）
  図5-40、図6-12…『宇宙・銀河・星』（138,163p）
  （インフレーション宇宙）、（HR図）、（宇宙の運命）…『宇宙論のすべて』（43,59,109p）
  【3枚目と4枚目】
  全部…『スペース・ガイド2001』（139-158p）
  

  宇宙の拡大の歴史
  『宇宙』の『宇』は空間を、『宙』は時間を意味する。

  �@	天動説（地球中心説）	アリストテレス（Aristotle、BC〜350）…体系化 プトレマイオス（Ptolemaios、〜130）…惑星観測と天体運動理論の完成
  �A	地動説（太陽中心説）	コペルニクス（Copernicus、1543） ケプラー（Kepler、1609）…3つの経験則を発見〔ケプラーの法則〕〔円運動⇒楕円運動〕
  肉眼観測だけでなく望遠鏡観測が加わることで、『宇宙』の領域が太陽系内から太陽系外へと拡がる。
  �B	星界	ガリレイ（Galilei、1609）…望遠鏡による観測〔天の川⇒無数の太陽〕 ※肉眼から望遠鏡への観測手段の進展は、「宇宙の大きさ」を飛躍的に拡大した。
  �C	静止宇宙	ニュートン（1687）…無限宇宙論 ・矛盾１→オルバースのパラドックス「夜空は明るい」⇒膨張宇宙 ・矛盾２→なぜ星は天の川に多く群がってみえるか⇒銀河
  �D	銀河	カント（Kant、1755）…島宇宙 ハーシェル（Herschel、1783）…星の3次元分布（星雲、同じ明るさならば近いほど明るい） ハッブル（Hubble、1924）…銀河の宇宙像確立（天体の距離測定による−年周視差など）
  ※	理論的予言	アインシュタイン（1917）…一般相対性理論 フリードマン（1922）…上記理論を宇宙に適用
  �E	膨張宇宙	ハッブル（1929）…「ハッブルの法則」〔変光星による距離測定、スペクトル（分光）観測でドップラー効果の発見〕 　　　V＝HR　〔ここで、 V：視線方向の光源の速さ（星または銀河の速度）、 　　　　　　　　　　　　　　H：ハッブル定数、 　　　　　　　　　　　　　　R：距離（星または銀河までの）〕 　　　Ｖ＝cの場合、 　　　RH＝c／H　〔ここで、c：光速、 　　　　　　　　　　　　　　　 RH：宇宙の地平線（宇宙の半径）…観測限界⇒宇宙の晴れ上がり直後は約137億年前（その光行距離は137億光年）であるが、共動距離 (Comoving distance) は約465億光年と推定されている（つまり、空間の膨張等による見かけの超光速の後退速度のため）〕
  �F	進化宇宙	tH＝RH／c＝１／H　〔ここで、tH：現在の宇宙の年齢（厳密にはハッブル時間と宇宙の年齢は異なるが、ほぼ等しいとする）〕 H＝75km/s／310万光年とすれば、tH＝124億年（ハッブル定数を70km/s・Mpcとすれば、ハッブル時間は139億年となる。なお、現在の最新の観測による宇宙の年齢は137億年とされている） ・難問１→宇宙の始まりの問題（一般相対性理論の適用外であり、量子重力理論が必要） ・難問２→一様な物質分布から出発したとして、なぜ現在銀河という非一様な構造が生じているか
  �G	ビッグバン（Big Bang）宇宙	宇宙の地平線問題や平坦性問題などはインフレーション・モデルにより補われる

補足説明

全般	地球科学用語については『地球科学用語集』ページを参照。 単位については『単位について』のページを参照。 地質年代については『地質年代表』のページを参照。

• フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による説明を参照してください。
  ■アリストテレス（Aristotle）／クラウディオス・プトレマイオス（Ptolemy）／ニコラウス・コペルニクス（Nicolaus Copernicus）／ヨハネス・ケプラー（Johannes Kepler）／ガリレオ・ガリレイ（Galileo Galilei）／アイザック・ニュートン（Isaac Newton）／ウィリアム・ハーシェル（William Herschel）／イマヌエル・カント（Immanuel Kant）／エドウィン・ハッブル（Edwin Hubble）／アルベルト・アインシュタイン（Albert Einstein）／アレクサンドル・フリードマン（Alexander Friedmann）／
  ■天動説（Geocentric model）／地動説（Heliocentrism）／　オルバースのパラドックス（Olbers' paradox）／　
  ■ドップラー効果（Doppler effect）／赤方偏移（Redshift）／ハッブルの法則（Hubble's law）／スペクトル（Spectrum）／特殊相対性理論（Special relativity）／
  ■一般相対性理論（General relativity）／アインシュタイン方程式（Einstein field equations）／宇宙定数（Cosmological constant）／
  ■銀河（Galaxy）／Category:銀河（Category:Galaxies）／Galactic orientation／Category:銀河系（Category:Milky Way Galaxy）／銀河系（Milky Way）／銀河団（Galaxy groups and clusters）／Fossil group（Fossil Galaxy Groups、Fossil Groups、Fossil Clusters）／List of galaxy clusters／Brightest cluster galaxy／Timeline of knowledge about galaxies, clusters of galaxies, and large-scale structure／超銀河団（Supercluster）／　
  ■ビッグバン（Big Bang）／宇宙のインフレーション（Inflation (cosmology)）／宇宙の晴れ上がり／宇宙マイクロ波背景放射（≒3K放射）（宇宙背景放射、マイクロ波背景放射、CMB、Cosmic microwave background radiation）／
  ■Category:宇宙論・宇宙物理学（Category:Cosmology）／宇宙論（Cosmology）／現代宇宙論（Physical cosmology）／宇宙の年表（Timeline of the Big Bang）／宇宙の終焉（Ultimate fate of the universe）／Category:ブラックホール（Category:Black holes）／ブラックホール（Black hole）／Category:暗黒物質／暗黒物質（Dark matter）／
  ■Category:宇宙（Category:Universe）／宇宙（Universe）／宇宙の年齢【約137億年】（Age of the universe）／宇宙の大規模構造／観測可能な宇宙（Observable universe）／Earth's location in the universe／Λ-CDMモデル〔Λ（ラムダ）は宇宙定数；CDMは暗黒物質（Cold Dark Matter）〕／宇宙論パラメータ（Lambda-CDM model）／　
  ■基本相互作用（素粒子の相互作用、自然界の四つの力、相互作用）（Fundamental interaction）／強い相互作用（Strong interaction）／電磁相互作用／弱い相互作用（Weak interaction）／万有引力（重力相互作用）（Newton's law of universal gravitation）／
  ■Category:統一場理論／統一場理論（Unified field theory）／万物の理論（Theory of everything）／量子重力理論（Quantum gravity）／超弦理論（超ひも理論、スーパーストリング理論）（Superstring theory）／M理論（M-theory）／
• 『宇宙･天文関連』のページを参照。とくに『宇宙論とは』のリンクなど。
• 素粒子については『素粒子とは』のページを参照。
• 元素/原子については『元素とは』のページを参照。
• ビデオ�@『ビック・バンと宇宙の誕生』（18分）〔NHKビデオ教材：大宇宙3〕
  『�@アンドロメダ銀河
  　銀河系に最も近い隣の銀河が、アンドロメダ銀河である。230万光年の距離にあり、直径10万光年、質量は太陽の2,000億倍である。渦巻銀河でわが銀河系とよく似ている。77度傾いているので、斜め横方向から見た形になっている。
  �A渦巻銀河
  　渦巻銀河NGC1566で、4,500万光年の距離にある。わが銀河系も円盤に垂直な方向から見るとこのような形をしている。渦巻銀河の星数」は1,000億〜1兆個ほどで、他の形の銀河と比較して、数が多い。
  �B棒渦巻銀河
  　棒渦巻銀河NGC1,300。7,300万光年の彼方にある。渦巻形と比較して数は少なく質量も小さい。銀河中心部から棒状に腕が出て、その先端から渦状腕が伸びている。現在の有力な説は、他の銀河の接近によって生じた潮汐力で棒渦巻形になったと言う。
  �Cクエーサー
  　1960年に発見された不思議な天体である。スペクトルの赤方偏移が異常に大きい。クエーサー3C273は20億光年の彼方にある。電波・赤外線・X線で莫大なエネルギーを放出する。現在の有力な説は若い活動的な銀河と考えられている。
  �Dハッブルの観察
  　エドウィン・ハッブルは銀河系宇宙の研究を進め、1929年膨張宇宙とハッブル常数を発表した。アンドロメダ星雲などの脈動変光星を調べ、多数の銀河の距離を知り、」さらにこれらの銀河のスペクトル分析で赤方偏移を発見、学説を発表した。
  �E宇宙の膨張とその始まり
  　ジョージ・ガモフは膨張宇宙の初めは「火の玉・ビッグバン」であると最初に発表した。1946年のことである。10億度の高密度中性子から膨張が始まった。膨張宇宙だけでなく、元素の生成も考えた。宇宙に「宇宙放射」の存在予言もした。
  �F宇宙背景放射の観測
  　ガモフの予言した宇宙放射は1965年ウィルソンらによって発見された。ホーン形アンテナで雑音源を探しているなかで、宇宙のあらゆる方向からやってくる弱い電波として発見された。3K放射（Kは絶対温度）である。
  �G宇宙の誕生から銀河の形成
  　200億年前に超高温・超高圧で、一点から膨張した宇宙は、急速に温度が低下する。膨張開始10万年後は4,000度。3分後は10億度。10万分の1秒後は1兆度、誕生後10のマイナス35乗秒で、宇宙は無限に熱い一点から始まった。
  �H膨張し続ける宇宙
  　現在は宇宙の膨張を示す証拠のみである。しかし、銀河や銀河団など質量の推量で理論と測定値の隔たりが多い。今までの天文学は「光るもの」だけが注目されてきた。観測にかかりにくい「ダークマター」の質量が膨張宇宙の寿命を左右する。
  �I収縮し続ける宇宙
  　ダークマターの質量が多いと、その重力によって宇宙は膨張を止め収縮に転じる。銀河は互いに接触し、中心に巨大なブラックホールを生じる。ついには、そのブラックホールも合体し、宇宙は一点に向かって収縮を始めると言われる。』
• ビデオ�A『宇宙の大構造』（19分）〔NHKビデオ教材：大宇宙4〕
  『�@ハッブルのアンドロメダ銀河観測
  　パロマ山天文台のヘール望遠鏡。ハッブルは脈動変光星セファイドの観測・分析を続け、初めてアンドロメダ銀河が90万光年の位置にあることをつきとめた。この距離は230万光年に訂正されている。
  �A遠い銀河
  　遠い銀河はきわめて暗い。望遠鏡の集光力の向上が、これらの遠い銀河の発見に効果を発揮した。NGC253・M83・NGC2997など。
  �B星数ほど多い銀河
  　宇宙背景放射は宇宙のどの方向にも一様である。CCD超高感度カメラの利用ができるようになって分かったのは、銀河の数が1,000億あり、しかも紐状に群れていることである。
  �C棒渦巻銀河形成のコンピュータ・シミュレーション
  　銀河の分布を調べると、星と星の分布に比べ、意外に近い。そのために接近したり衝突するものが出てくる。コンピュータ・シミュレーションで2つの渦巻銀河の接近を実験したが、6億年後には棒渦巻銀河に変わった。
  �D局部銀河群とおとめ座銀河団
  　銀河の光をスペクトル分析をすると、物質として最も量が多い水素のスペクトルが目立つ。この目印で各銀河の赤方偏移を求め、各銀河の空間的位置を求める。その結果銀河は、数10個の銀河群、数100個の銀河団、1,000個以上の超銀河団を形成している。
  �E宇宙の大構造
  　調査の結果、6億光年の範囲にある銀河の分布は奇妙な偏りをみせて並んでいた。まるで紐や壁のようにつながり、ところどころに、ほとんど銀河の存在しない空間（ボイド）が見える。
  �F泡宇宙
  　宇宙の大構造は、石鹸の泡の群れ（表面に銀河が集まる）のような構造を見せている。泡の中はボイドと呼ばれ銀河が無い。直径の大きなものは、1億5,000万光年にも及んでいる。宇宙がこのような構造を示している理由は、ビック・バンの後のゆらぎや銀河の互いの重力作用によるとの説がある。
  �G局部銀河群の運動
  　わが銀河系やアンドロメダ銀河を含む銀河の集まりは局部銀河群をつくっている。この銀河群の運動は、おとめ座銀河団に引き寄せられている。また、おとめ座銀河団はうみへび・ケンタウルス座超銀河団に引き寄せられている。
  �Hグレイトアトラクター
  　詳しい研究によると、うみへび・ケンタウルス座超銀河団は、わが銀河系から1億4,000万光年離れた距離にある巨大な引力源に引き寄せられている。巨大な銀河の群れを調べると、大きな円盤の形が浮かぶ。グレイトアトラクターである。
  �I銀河分布シミュレーション
  　一様な銀河分布に「ゆらぎ」を与え、重力の影響をコンピュータに入力すると、過去・現在・未来の銀河の分布が画かれる。60億年後、銀河が集まり始め、200億年後は現在の分布に近く、1,800億年後は超銀河のみに画かれている。』

【ハッブル定数】

• ハッブルが得た遠方銀河の距離速度関係 ハッブル定数と宇宙の距離尺度 ハッブル宇宙望遠鏡によるセファイド変光星の観測から較正された銀河距離指標を用いて、ハッブル定数の値は約1割の精度で決定されている。 Freedman（2000）による 須藤（2005）による『観測的宇宙論の進化論』から ハッブル定数を70km/s・Mpc〔メガ（100万）パーセク〕とすれば、ハッブル時間は139億年となる。なお、現在の最新の観測による宇宙の年齢は137億年とされている。

【宇宙マイクロ波背景放射】

※ビッグバン理論の観測的証拠とされているのは、�@ハッブル則に従う膨張、�A宇宙マイクロ波背景放射、�B軽元素の存在比（⇒元素合成）、�C銀河の進化と分布（⇒宇宙の大規模構造）、等とされている。（リンクはウィキペディア）

• COBEによる宇宙マイクロ波背景放射のスペクトル。波長（横軸）の単位は1cmあたりの波数。横軸の5近辺の波長1.9mm、160.2Ghzにピークがあることが読み取れる WMAPによる宇宙マイクロ波背景放射の温度ゆらぎ。 ウィキペディア（2010）による『宇宙マイクロ波背景放射』から ・宇宙マイクロ波背景放射＝cosmic microwave background (radiation)、 CMB、CMBR ・COBE＝Cosmic Background Explorer、宇宙背景放射探査機、コービー ・WMAP＝Wilkinson Microwave Anisotropy Probe、ウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機） 　ＷＭＡＰプロジェクトによって予想される宇宙の組成は、ダークエネルギー73％、ダークマター23％、バリオン4％。

【宇宙の階層構造】

• 須藤（2005）による『観測的宇宙論の進化論』から

【光におけるドップラー効果】

• λ／λ0＝｛（c＋V）／（c−V）｝^1/2
  ここで、
  λ：光源からの光の波長
  λ0：本来の光の波長
  c：光速度
  V：視線方向の光源の速度
  である。従って、
  光源が遠ざかる場合（V＞0）→λは長くなる（赤方偏移）
  光源が近づく場合（V＜0）→ラムダは短くなる（青方偏移）
  となる。
  

  赤方偏移　光のドップラー効果の一例。左が太陽、右が遠方の銀河BAS11のスペクトル。吸収線（暗線）の位置の変移を測定することで光源の視線方向の後退速度を計算できる ウィキペディアによる『ドップラー効果』から

【距離の単位】

• １パーセク〔Parsec（pc）＝parallax（視差）＋second（秒）〕＝年周視差（地球の公転運動による視差）が1秒角（3600分の1度）となる距離＝約3.26光年＝約206,265天文単位
  １光年（Light-year）＝光が1年間に進む距離＝約9.46×10¹²キロメートル（＝約9.46兆キロメートル：１秒間では約30万キロメートル）＝約63241天文単位
  １天文単位（AU、Astronomical unit）＝地球と太陽間の平均距離＝約1.50×10⁸キロメートル

参考

【四つの力】

• 基本相互作用（四つの力）

  名称	相対的な強さ	影響範囲(m)	力を伝達するゲージ粒子
  強い相互作用	1040	10-15	グルーオン
  電磁相互作用	1038	無限大（強さは1/r2に比例）	光子（フォトン）
  弱い相互作用	1015	10-18	ウィークボソン(W±、Z0)
  重力相互作用	100	無限大（強さは1/r2に比例）	重力子（グラビトン）
  ウィキペディアによる『基本相互作用』から 注）　正しくはgravitonはゲージ粒子ではない。

【太陽系の誕生】

• 〔東京工業大学理学部地球惑星科学科の井田研究室の中の『惑星系形成過程の基礎物理』から〕

• 図2-2: 標準モデルに基づく太陽系形成過程 福井（2004）による『惑星系形成論の現状- 特に原始惑星系円盤の形成過程について-』から

【太陽系の惑星】

• わかりやすく緊密配置で描かれた太陽系。実際の天体同士はとても離れている ウィキペディア（2010）による『太陽系』から

• 〔Calvin J. Hamilton氏によるViews of the Solar Systemの中から〕 太陽と九つの惑星の大きさの比較。左から、太陽、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。ただし、最近、冥王星は惑星からはずされた。

• 		水星 Mercury	金星 Venus	地球 Earth	火星 Mars	木星 Jupiter	土星 Saturn	天王星 Uranus	海王星 Neptune
  		地球型惑星 （固体惑星）				木星型惑星 （巨大ガス惑星）		天王星型惑星 （巨大氷惑星）
  表面温度 （K*）		440 90〜700	737 228〜773	282 184〜333	210 133〜293	152 110〜	143 82〜	68 59〜	53 50〜
  対流圏界面温度 （K*）		−	−	−	−	105	85	54	52
  大気圧 （kPa）		10-13	9321.9	101.325	0.7〜0.9	70	140	−	−
  対流圏界面圧力 （kPa）		−	−	−	−	14	8	10	20
  平均気温 （℃）		−	−	15 -70〜55	-43 -130〜15	−	−	−	−
  大気成分 （％）	CO2 （二酸化炭素）	-	96.5±0.8	0.035	95.32	−	−	−	−
  	N2 （窒素ガス）	-	3.5±0.8	78.084	2.7	−	−	−	−
  	Ar （アルゴン）	-	0.007±0.0025	0.934	1.6	−	−	−	−
  	O2 （酸素ガス）	-	−	20.949	0.13	−	−	−	−
  	H2O （水）	-	0.002〜0.015	<4	〜0.021	0.003±0.002	<0.000002	−	−
  	H2 （水素ガス）	-	−	0.000055	−	89.8±2.0	96.3±2.4	〜82.5±3.3	〜80±3.2
  	He （ヘリウム）	-	0.0012	0.000524	−	10.2±2.0	3.25±2.4	15.2±3.3	19.0±3.2
  フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』の各惑星データ（リンクも）および『比較惑星学（1997）』から。 *　K（ケルビン温度）＝℃（摂氏温度）＋273.15。⇒熱力学温度

【月からみた地球】

• 〔日本惑星協会の『IMAGE LIBRARY 太陽系』からアースライズ（Earthrise)〕 月から見た地球。