デイリー5問 宇宙と物理答えの解説

実際の根拠

• 太陽の表面から出た光が地球に届くまで、どれくらいかかる?答え:約8分20秒。地球と太陽の平均距離は約1億5000万kmで、光はそれを約499秒で進む。見えている太陽は、いつも8分あまり前の太陽だ。

• 宇宙マイクロ波背景放射の今の温度は?答え:約2.7 K。正確には約2.725 K。宇宙が38万歳で約3000 Kだったときに生まれ、それ以来、宇宙の膨張に引き伸ばされて約1100分の1に冷えた。

• 宇宙の年齢はおよそどれくらい?答え:約138億年。46億年は太陽系の年齢、460億光年は観測可能な宇宙の半径で、年齢ではない。

• 宇宙の年齢はたった138億年なのに、なぜ観測可能な宇宙の半径は約460億光年なのか?答え:光が進んでいる間も宇宙が膨張し続けたから。光は138億年旅をしたが、その間に出発点は膨張でさらに遠くへ押しやられた。光の速さは変わっていない。

• 太陽を除くと、夜空で最も明るい恒星は?答え:シリウス。約8.6光年先。北極星の明るさは50番目前後にすぎず、有名なのはほとんど動かないから。

• 太陽の20倍の質量の恒星は、どれくらい生きる?答え:約1000万年。質量が大きいほど激しく燃え、寿命はおおよそ質量の2.5乗に反比例する。太陽は約100億年、最小の赤色矮星は何兆年も生きる。

• 宇宙で最も多い元素は?答え:水素。原子の数では約92%、質量では約74%が水素。その大部分は、ビッグバン直後の数分間の名残。

• あなたの宝飾品の金の原子は、どこから来た可能性が最も高い?答え:中性子星の合体のような激しい出来事。鉄より重い元素を作るには、大量の中性子が要る。2017年の重力波イベントGW170817によって、中性子星の合体が重元素を作る様子が初めて直接観測された。

• 太陽に最も近い恒星は?答え:プロキシマ・ケンタウリ。約4.24光年先。ケンタウルス座アルファ星の三重星系のなかで最も小さい赤色矮星で、2016年にその周りで惑星が見つかった。

• ブラックホールの「事象の地平線」とは?答え:光さえ逃げられなくなる境界。地平線は物理的な表面ではない。非常に大きなブラックホールなら、地平線を越える人はそのとき何も気づかないかもしれないが、二度と出てこられない。

• 2019年に公開された初のブラックホール画像は、どのブラックホール?答え:銀河M87の中心のブラックホール。イベント・ホライズン・テレスコープは、世界中の電波望遠鏡をつないで「地球サイズ」の望遠鏡にした。天の川銀河の中心のブラックホールの画像は2022年に公開された。

• 星はなぜ「またたく」?答え:地球の大気の乱れのせい。温度の違う空気のかたまりが流れるレンズのように働いて、星の光を強めたり弱めたりする。惑星は小さな円盤に見えるので、またたきが小さい。

• 月はなぜいつも同じ面を地球に向けている?答え:月の自転周期が公転周期と等しいから。これを潮汐固定という。月は約27.3日で1回転し、これは地球を1周する時間とちょうど同じ。

• 天の川銀河には、およそいくつの星がある?答え:約1000億〜4000億個。推定値は1000億から4000億のあいだ。幅が広いのは、暗い赤色矮星が数えにくいから。

• 太陽は最終的に何になる?答え:白色矮星。太陽は質量が足りないので、まず赤色巨星にふくらみ、惑星状星雲を放出して、最後に地球ほどの大きさの白色矮星を残す。

• 宇宙はなぜ最初の38万年間「不透明」だった?答え:自由電子が光子を散乱しつづけたから。当時は熱すぎて、電子はまだ原子核に捕らえられていなかった。約3000 Kまで冷えると原子ができ、光が自由に進めるようになった。その光が、今の宇宙マイクロ波背景放射。

• 宇宙のすべての物質のうち、暗黒物質はおよそどれくらいの割合?答え:約85%。私たちの知る原子は物質のごく一部で、暗黒物質は今のところ重力を通してしか検出されていない。

• ハッブルは1929年に何を発表した?答え:銀河は遠いほど、私たちから速く遠ざかる。1924年にアンドロメダ銀河が天の川の外にあることを初めて示し、1929年に後退速度は距離に比例するという関係を発表した。ルメートルはその関係を1927年にすでに導いていた。

• ボイジャー1号は今、およそどれくらいの速さで動いている?答え:秒速約17 km。この速さでプロキシマ・ケンタウリに着くには、約75,000年かかる。

• 次のうち、太陽系で生まれたのではない天体はどれ?答え:オウムアムア。2017年に発見されたオウムアムアは、知られている初の恒星間天体。別の星系から来て、今は去りつつある。

• 「宇宙の事象の地平線」とは?答え:今日一部の銀河から出た光は、永遠に私たちに届かない。宇宙は加速しながら膨張していて、十分遠い銀河は猛烈な速さで遠ざかるため、今日出た光は決して追いつけない。向こうの宇宙が終わったわけではない。

• 最初の星(種族III)と今の星の最大の違いは?答え:ヘリウムより重い元素をほとんど含まないこと。当時、宇宙にはまだ重い元素がなかった。極端に質量が大きく、寿命も極端に短かった可能性があり、直接観測で確認された例はまだない。

• 中性子星物質をティースプーン1杯分とると、重さはどれくらい?答え:数十億トン。中性子星の密度は1立方メートルあたり約4×10¹⁷ kgで、ティースプーン1杯(約5 mL)の重さは約20億トン。

• 2015年に重力波が初めて検出されたとき、LIGOの長さ4 kmのアームはどれだけ変化した?答え:陽子の直径の約1000分の1。約10⁻¹⁸ m。これほど小さな変化を測るため、LIGOは地震や車の振動、さらには波の揺れからも自らを切り離さなければならない。

• 空はなぜ青い?答え:空気の分子は、波長の短い光を散乱しやすいから。これをレイリー散乱という。夕方は光がより厚い大気を通るので、青い光は散乱されて消え、赤やオレンジの光が残る。

• 原子の大部分は何でできている?答え:空っぽの空間。原子核は原子の直径の約10万分の1しかない。原子が球場の大きさなら、原子核はグラウンド中央のエンドウ豆ほど。

• 水はなぜHOではなくH₂O?答え:酸素原子は安定するのにあと2個の電子が要る。酸素の最外殻には電子が6個あり、あと2個共有すれば満たされるので、2つの水素原子とそれぞれ1対の電子を共有する。

• 質量で見て、地球で最も多い元素は?答え:鉄。核を含めると、鉄は地球の質量の約3分の1を占める。地殻だけで見れば、最も多いのは酸素。

• ダイヤモンドと黒鉛は、どちらも何でできている?答え:炭素。同じ炭素原子の並び方が違うだけ。ダイヤモンドでは炭素原子がそれぞれ4つの隣と結合し、黒鉛では原子が六角形の層を作る。

• 人工的に作られた最初の元素は?答え:テクネチウム。1937年にサイクロトロンの捨てられたモリブデン箔から見つかった。名前はギリシャ語の「人工の」に由来する。

• なぜ鉄が恒星の核融合の終点なのか?答え:鉄を融合してももうエネルギーは出ない。鉄56の周りの原子核が最も強く結びついている。それより重いものを融合するとかえってエネルギーを吸収するので、大質量星の中心核が鉄で満ちると崩壊する。

• 光は真空中でおよそどれくらいの速さで進む?答え:毎秒30万km。正確な値は毎秒299,792,458メートル。1983年から、メートルは光の速さを使って定義されている。

• E = mc²は何を言っている?答え:質量とエネルギーは互いに変換できる。物質1グラムを完全にエネルギーに変えると約9×10¹³ジュール、TNT火薬約2万トンに相当する。

• 2012年にヒッグス粒子が発見されたのはどこ?答え:大型ハドロン衝突型加速器。CERNの大型ハドロン衝突型加速器。この発見で、粒子が質量を得る仕組みが確かめられ、その仕組みを提案した物理学者たちに2013年のノーベル物理学賞が贈られた。

• 絶対零度は摂氏で何度?答え:−273.15 °C。−459.67は華氏。絶対零度には限りなく近づけるが、決して到達できない。これが熱力学の第三法則。

• 太陽ニュートリノは、指の爪ほどの面積を毎秒およそいくつ通りぬける?答え:約600億個。1平方センチメートルあたり毎秒約600億個。ほとんどすべてがあなたも地球も通りぬけ、何の痕跡も残さない。

• 量子もつれで、光より速く情報を送れる?答え:送れない。もつれた2つの粒子の両端の測定結果は相関しているが、片方だけを見るとでたらめに見える。2組の結果を普通の信号で突き合わせて初めて、相関が見える。これを通信不可能定理という。

• 「シュレーディンガーの猫」はもともと何を示すためのもの?答え:量子の重ね合わせを巨視的な世界にまで広げると、ばかげて見えること。シュレーディンガーが1935年に、当時主流だった量子力学の解釈への批判として出したが、量子力学で最も有名なイメージになった。

• 熱力学の第二法則とは?答え:孤立系のエントロピーは減らない。熱は自然に高温から低温へ流れ、その逆には流れない。これが時間に向きを与える。

• 高い山では、なぜ水が100 °C未満で沸騰する?答え:気圧が低いから。気圧が低いほど水分子は逃げやすい。エベレスト山頂では、水は約70 °Cで沸騰する。

• 鏡はなぜ左右を入れ替えて、上下は入れ替えないのか?答え:鏡が本当に反転させているのは前後。鏡は、鏡面に垂直な方向を反転させる。私たちは、鏡の中の人を、こちらに向き直った人と想像する。だから左右が逆に見える。

• 原子核の陽子はどれも正の電荷を持つのに、なぜ反発して離れないのか?答え:強い相互作用が束ねているから。原子核のスケールでは、強い相互作用は電磁気的な反発よりはるかに強いが、その到達距離はきわめて短く、原子核の外ではほとんど消える。

• 「半減期」とは?答え:原子核の半分が崩壊するまでの時間。炭素14の半減期は約5,730年なので、数万年前までの有機物の年代測定に使える。

関連する研究

これらの研究はこのトピックに関連しますが、このページの直接の証拠ではありません。

• 宇宙は膨張している：ハッブルは、遠い銀河ほど速く遠ざかることを見つけた。宇宙は静止していない。膨張している。

  出典：Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"

• 原始的原子：ルメートルは独立に宇宙の膨張を提唱し、のちに宇宙は「原始的原子」から始まったと考えた。ビッグバン理論の先駆けだ。

  出典：Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"

• ヒッグス粒子の発見：大型ハドロン衝突型加速器が約125GeVに新粒子を見つけ、48年前の予言を裏づけた。

  出典：ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"

• 宇宙マイクロ波背景放射：ベル研究所の2人の研究者はアンテナのノイズをどうしても消せず、ついにそれがビッグバンの残光だと気づいた。1978年のノーベル賞を受けた。

  出典：Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"

• ブラックホールの影：世界各地の電波望遠鏡が地球サイズの「仮想望遠鏡」をつくり、M87の中心にあるブラックホールの影を撮影した。

  出典：Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 2019, "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole"

• 重力波：13億年前に二つのブラックホールが合体し、時空のさざ波がついに人類に聞こえた。1世紀前のアインシュタインの予言が裏づけられた。

  出典：Abbott et al. (LIGO & Virgo), Physical Review Letters 2016, "Observation of gravitational waves from a binary black hole merger"

• 宇宙のレシピ：プランク衛星は宇宙マイクロ波背景放射の微小なゆらぎを測定した。通常の物質は宇宙の全エネルギーの約5%、暗黒物質は約27%、残りはダークエネルギーだ。

  出典：Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"