Category Archives: 地学・宇宙

ベネラ計画と金星

 

今日はソ連の宇宙探査機「ベネラ5号」が金星に到達した日。
ベネラ計画と聞いて、「ああ、ソ連の…」と分かった人はかなりの通です(笑)

ベネラ計画

1960年代初頭から80年代にかけて、ソビエト連邦(当時)が推進した金星探査計画。1号から16号が打ち上げられました。ソ連はベネラ計画の中で以下の「史上初」を達成しています。

・他の惑星の地表到達(3号)

・他の惑星の大気を測定(4号)

・他の惑星に軟着陸(7号)

・他の惑星の地表からデータ送信(7号)

金星探査

アメリカとソ連はいわゆる宇宙開発競争の中で、月ほど華やかではなかったものの、地球に近い惑星である金星でも無人惑星探査で競いあいました。金星に無事到達し人類初の惑星フライバイ(天体への接近通過)を行った宇宙船は1962年のアメリカのマリナー2号。一方初めて金星に着地した宇宙船は1970年に打ち上げられたソ連のベネラ7号。初めて金星からの映像送信に成功したのはソ連のベネラ9号。金星探査についてはソ連に軍配でしょうか。

ベネラ14号から送られてきた金星表面の写真。砂と平たい岩石が見えます。

その後、1989年のアメリカのマゼランよって、金星表面の98%をカバーする地形図が作られ、ヨーロッパ宇宙機関(ESA)によって打ち上げられたビーナス・エクスプレスは2006年に金星に到達し、金星の大気について詳細な観測を行いました。

日本の金星探査

 JAXAデジタルアーカイブス
日本の金星探査機「あかつき」(PLANET-C)は金星全体の気象現象や地表面を広い範囲で調べたり、金星から宇宙空間へと逃げ出す大気の観測や雲のクローズアップ撮影を行います。金星での雷の放電現象や、火山活動の有無等を調査することもミッションに含まれています。

最初の計画では2010年の12月に金星周回軌道に入る予定ですが、残念ながらこれは失敗してしまいました。次のチャンスは2015~2016年です。「はやぶさ」に負けじと粘り強く、目標達成に挑んで欲しいと思います。

金星とは

金星は地球と大きさも質量もほぼ同じ双子の兄弟のような星です。しかし、その2つの星の様子は全く違っています。金星の大気はほぼ二酸化炭素で気圧は約90気圧。 この分厚い二酸化炭素大気による温室効果で気温は約500度。さらに、スーパーローテーションと呼ばれる秒速100mクラスの暴風が吹き荒れ、硫酸の雨が降ります…穏やかな地球とはえらい違いです。

 AstroArts
しかし、そんな“地獄”のような金星も地球から見ると、明け方の「明けの明星」、夕方の「宵の明星」として知られる非常に明るく美しい星です。ちなみに金星を夜中に見ることができないのは、金星が地球よりも太陽に近い内惑星で、地球から見ると、いつも太陽の近くにあるからです。

ヨーロッパでは、明けの明星の何にも勝る輝きを美と愛の女神アプロディテにたとえ、そのローマ名ウェヌス(ヴィーナス)が金星を指す名となりました。 キリスト教においては、ラテン語で「光をもたらす者」ひいては明けの明星(金星)を意味する言葉ルシフェル(Lucifer)が、唯一神に仕える最も高位の天使(そして後に地獄の闇に堕とされる堕天使の総帥)の名として与えられました。

金星は地球の兄弟惑星と言われるほど内部構造や組成が似ていますが、太陽からの距離がほんの少し違うだけで、生命にとっては過酷な状況がそろっています。地球という星の奇跡にあらためて感謝したくなります。

以下はJAXA(宇宙航空研究開発機構)提供の、金星と「あかつき」に関する紹介動画です。とても分かりやすくまとめられています。
金星大気の謎に挑む~金星探査機あかつき(PLANET-C)~

 



永野数学塾-東大卒講師の個別指導-神奈川県大和市中央林間

超ひも理論と人類の誕生

 

高校時代の友人から

「JWAVEで、宇宙物理学者の佐藤勝彦先生が『空間を9次元で捉える(超ひも理論?)と、人間起源が説明できる』という話をされていたんだけど、どういうこと?」と質問を受けました。

超ひも理論…はっきり言って、難しいです(>_<)。また、まだ未完成の理論でもあります。しかし、この理論が大変注目されているのは「森羅万象をたった1つの理論で説明したい」という、おそらく全世界の物理学者共通の夢を実現する可能性があるからです。

頑張って、書いてみたいと思います。

4つの力

そもそも物理の基本は「物体は力を受けると動く」と考えることにあります。すなわち、森羅万象を説明する統一理論とは「力」を統一的に説明できる理論であり、それこそが究極の理論だということです。力は次の4種類にまとめることができます。

・重力


・電磁力


・強い力


・弱い力

後半の「強い力」、「弱い力」というのは随分と幼稚な言い回しですが、これは原子核の中に存在する2種類のカの強い方と弱い方の力をそれぞれ表したものです。

現在までのところ、この4つの力のうち、「電磁力」、「強い力」、「弱い力」の3つの力は電気的な力であり、似通っている所もあるので統一的に説明できる標準モデルが確立されていますが、この「標準モデル」では重力を説明することはできません。なぜでしょうか?

相性の悪い一般相対理論と量子力学

アルベルト・アインシュタイン

重力に関する最も精密な理論はアインシュタインの一般相対性理論です(これまで一般相対性理論に反する現象は1つも観測されていません)。しかし、原子核の中のようなごくごく小さいサイズの世界で、重力の効果を計算しようとすると、その答えは「無限大」となり、一般相対性理論は破綻してしまいます。

そこで小さいサイズの世界を扱う理論が必要になります。それがいわゆる量子力学です。しかし反対に量子力学では大きなサイズの物理現象をうまく説明することができません…。

原子核の中に存在する「強い力」と「弱い力」も含めて、4つの力を統一的に説明するには、原子核の中でも通用する量子力学と、重力の理論である一般相対性理論を融合させる必要があるのですが、この2つの理論は大変相性が悪く、「標準モデル」では両者の「結婚」は失敗しています…

宇宙の始まりに一般相対性理論は使えない!?

エドウィン・ハッブル

一般相対性理論がごく小さいサイズの世界を扱えないことは、この理論が宇宙の始まりを説明できないことを意味します。ハッブル望遠鏡で有名なエドウィン・ハッブルは複数の銀河の観測から、宇宙は膨張していることをつきとめました。ということは、時間を逆にたどれば、この宇宙は、ごくごく小さい1点から始まったということになります。そして、この「ごくごく小さい1点」では一般相対性理論は破綻してしまうので、これを使って宇宙のはじまりを説明することはできないというわけなのです。その事を知ったアインシュタインは宇宙の始まりにおいても破綻しない統一理論を目指して研究を続けました。しかし、残念ながら不世出の天才も夢半ばで生涯を終えることになります。

超ひも理論の登場

アインシュタインの死後、登場したのが「超ひも理論」です。

RIKEN NEWSより

超ひも理論は「すべての素粒子は拡大してみたら、ひも状であった」という仮説に基づいています。このひもは振動したり、回転したりするのですが、その振動や回転の仕方が異なると、粒子としての性質が違うために、「異なる粒子」として振る舞うことになる、と考えます…と言ってもイメージが湧きづらいですよね?
イメージを湧かせるために弦楽器の弦を考えてみましょう。弦楽器では1つの弦に異なる振動を与えることで違う音程を鳴らします。つまり、弦の振動の違いが聞こえる音の違いになっているわけですが、超ひも理論ではひもの振動や回転の違いが粒子の違いになっているのです。
これまでの原子論や素粒子論では、数多くの基本的な粒子の存在を仮定する必要がありましたが、ひも理論ではたったひとつのひもを考えれば良いという点で大変エレガントであり、魅力的です。

しかもこのひも理論によると(経緯は難しすぎるので割愛します)は、ミクロの世界を記述する量子力学とアインシュタインの一般相対性理論を見事に融合させることができます。

超ひも理論の難点

では、あらゆる素粒子をたった1つのひもで表し、重力を含んで4つの力を統一的に説明することができる「超ひも理論」こそ、究極の統一理論なのでしょうか?

その可能性は大変高いとされていますが、問題点がないわけではありません。中でも大きな問題は「超ひも理論」ではこの世界を3次元ではなく、9次元ないし10次元の世界として捉えなくてはならない、という点です。なぜなら3次元で考えようとすると、確率がマイナスになるなど、数学的な破綻が起きてし
まうからです。

この問題点に関して、現在最も支持されている考え方は、私たちが捉えている3次元以外の6~7次元は、コンパクト化され小さすぎるために観測するすることができないという考え方です。例えば髪の毛は遠くからみれば1次元の「線」ですが、拡大すれば3次元の拡がりをもった「立体」ですよね?それと同じことが起きているというのです。

膜宇宙論

この宇宙が高次元であることを理解するもう1つの考え方として注目されているのが「膜宇宙論」で、これは我々の世界は高次元の世界に埋め込まれた「膜」のような世界であるとする理論です。例えるなら平面を動きまわるだけのアリは世界を2次元だと思っているかも知れず、我々が理解している(つもりの)宇宙でもそういう誤解が生じる可能性は否定できない、ということです。

この膜宇宙論では、上記の4つの力のうち重力だけが極端に弱いという問題を「重力だけは余剰次元にも作用する」と考えることで説明できる可能性を秘めており、それがこの理論への高いモチベーションの1つになっています。

これらの概念を応用して、宇宙の初期特異点の解決を試みるモデルであるビッグバンの起源を複数のブレーンの衝突で説明するエキピロティック宇宙モデル、宇宙のインフレーションをブレーンの運動で捉えるモデル、そして宇宙のダークエネルギー問題の解決を試みるモデルなど、宇宙論のさまざまな分野でアイデアが提出され研究されています。

あ、突然色々なカタカナを出してごめんなさい。

とにかく「色々可能性がある」ことが分かってもらえれば十分です。

インフレーションって本当にあったの?

宇宙の始まりにビックバンがおきた、というのは有名な話ですね。

しかし、その生まれた瞬間の宇宙は原子よりも小さなものだったと言われています。そしてその小さな宇宙が1秒の1兆分の1の、1兆分の1の、さらに1兆分の1ほどの間に、1兆の1超倍の、1兆倍の、さらに1000万倍の大きさになったと言われていて、これがいわゆる「インフレーション」です。しかしそんな急激な膨張が本当にあったのでしょうか?にわかには信じがたいですよね?

そこで最近は「サイクリック宇宙論」という理論が注目を集めています。

宇宙の最期

サイクリック宇宙論の説明の前に、「宇宙の最期」について。

宇宙は膨張した後、もし物質の密度が高いと、重力によってやがて収縮に転じ、最後には1点に収束してしまうとい言われていて、これを「ビッグクランチ」と言います(反対に膨張によってすべてが引き裂かれてしまうという「ビッグリップ」というモデルもあります)。従来の理論では、ビッグクランチが起きると、そこで宇宙は終わると考えられていました。未来に終わりがある、というのは絶望的な感じですね…。

ただし超ひも理論によると、ビッグクランチが起きた後に、再びビッグバンが起きて宇宙は次の膨張に転じる可能性があります。

我々の宇宙は第50代!?

超ひも理論を応用した「サイクリック宇宙論」では、宇宙は1回きりではなく、何度も収縮と膨張、ビッグクランチとビッグバンを繰り返してきたと考えられます。つまり、宇宙も輪廻転生するというのです。しかもそのたびに約4倍ずつビッグバン宇宙 は大きくなり、試算によると、50回くらいの膨張と収縮を繰り返すことで、ビッグバン宇宙の大きさは1ミリから1メートル程度になります。このモデルであれば、その初期の段階にインフレーションを仮定する必要はありません。

50回目だから、知的生命体まで進化できた!?

また、ビックバンを繰り返す際にエントロピー(≒乱雑さ)は保存されて蓄積されるので、膨張と収縮を繰り返すごとに宇宙の寿命も約8倍ずつ長くなるそうです。現在の宇宙の年齢は約137億年ですが、1世代前の宇宙の寿命は約30億~40億年と推定されます。しかしこれでは知的生命が生まれるには短過ぎるでしょう。私たち人類が存在できるのは、宇宙が膨張と収縮を繰り返し、寿命が長い「50回目の宇宙」になったからかもしれません…。

ふぅ、長かったですね…。最後までお付き合いいただき、ありがとうございます。私は直接ラジオを聴いてないのでわかりませんが、佐藤先生は以上のような話をされたのではないでしょうか?いずれにしても、難しいお話ですし、未解決の問題も多く含んでいます。
質問は…受け付けられません(笑)

ちなみに、超ひも理論の「ひも」は非常に短いため、これが観測で確認できるようになるのは100年以上先になるだろうと言われています…私たちが生きている間に確かめられないのは残念ですね。

最期にホーキングが「膜宇宙論」について語った公演の動画(Part1とPart2)を紹介します。

相変わらず、素晴らしい語り口です。

Part1

Part2
 

Fly Me To The Moon ~木星や火星にも春はある?

 

いよいよ来週に迫った金環日食!先日のスーパームーンといい、月に思いを馳せることが多い今日この頃(笑)。そこで今日は「月」繋がりで、ジャズのスタンダードナンバー”Fly Me To The Moon(私を月に連れて行って)“について。

この曲はもともと3拍子の曲として作曲され、タイトルも歌詞に出てくる”In Other Words”でした。曲名が改められた後、1960年代に4拍子のボサノヴァ調にアレンジされ、フランク・シナトラがカバーして大ヒット。折しもアメリカはアポロ計画の真っ只中だったため、時代を象徴するテーマソングとしてヒットしたと言われています。

この歌の歌詞の中に以下のようなフレーズがあります。

Fly me to the moonAnd let me play among the stars
Let me see what spring is like
On Jupiter and Mars
私を月まで連れてって 星空で遊ばせて
木星や火星にはどんな春がやってくるの?

さて、木星や火星に「春」はあるのでしょうか?

ちょっと地球惑星物理的な視点で見てみますと…

まず、地球に四季がある理由ですが、それは地球の地軸(北極と南極を結んだ線)が太陽のまわりをまわる軌道面に対して垂直ではないからです。

この傾き(赤道傾斜角と言います)により、特に日本のような中緯度の地域では、真夏の太陽は頭上から照り付けますが、真冬の太陽の高度は低くなり、太陽から受け取るエネルギーに差が生まれ、それが季節を作ります。参考サイト

では、他の惑星ではどうでしょうか?

以下は各惑星の赤道傾斜角です。

惑星     赤道傾斜角(度)

水星     0

金星     178

地球     23.4

火星     25

木星     3.08

土星     26.7

天王星     97.9

海王星     29.6

火星、土星、海王星の傾斜角は地球に近いので、四季があるだろうと思われます。

ちなみに火星は地球の160分の1の気圧しかなく、熱容量の大きい海もない火星の気温は「熱しやすく冷めやすい」という特徴があるので、気温変化は激しいです。

水星は自転軸が完全に直立しているので、地軸の傾きによる季節変化はありませんが、太陽のまわりをまわる軌道が楕円形のため、太陽との距離の差による「季節」があります。

木星はほぼ垂直に直立していて、傾きが小さいので、四季はないでしょう。

金星は自転軸がほぼ完全に倒立しており、他の惑星と逆方向に自転していますが、やはり季節変化はなさそうです。また公転周期が225日なのに対して自転周期が243日で「1日が1年より長い」という特徴があります。

天王星は自転軸がほぼ横倒しになっているので「南半球」はずっと夏、「北半球」はずっと冬になって、これも季節の変化はないと思われます。ちなみに天王星の公転周期は84年ですので、例えば極地では約40年間昼もしくは夜が続くことになります。

…ということは、「春」は火星にはあっても木星にはなさそうですね。

“On Jupiter and Mars”は”On Saturn and Mars”の方が良かったかも??
はい、野暮ですね…(^_^;)

FLY ME TO THE MOON(訳詞付) / ナット・キング・コール




永野数学塾-東大卒講師の個別指導-神奈川県大和市中央林間

系統的に学ぶ中学地学問題集

 

私が執筆した「系統的に学ぶ中学地学問題集」(文理出版)の完成本が自宅に届きました!

この問題集は主に中高一貫校で採用されている左巻健男先生監修の「系統的に学ぶ中学地学」の完全準拠問題集です。自分が丹精込めて書いたものがこうして一冊の本になることの喜びはひとしおです!

今回私にこのような機会を下さった文理出版さん、紙面の構成等で的確なアドバイスをして下さった編集者の方、校正段階でミスのチェックをして下さった何人もの先生方に心より感謝申し上げます。

学校・塾専用の教材のため、残念ながら一般書店で購入することはできませんが教科書として「系統的に学ぶ中学地学」を採用されている学校の多くで使っていただくことになります。

私は現在「永野数学塾」の塾長ですが、大学は理学部地球惑星物理学科というところを卒業していますので専門は地球と太陽系の物理でした。地球や太陽のことをきちんと知ることは、つきつめると「自分はどこから来たのか」という人類の究極の疑問に答えることに繋がります。
太陽系の成り立ちを知ると地球に生命が生まれたことがどれだけ奇跡的なことなのかがよく分かります。そして、生命が海から陸にあがり、やがて知能をもつ人類への進化したことはさらに奇跡が何重にも重なった宇宙の神秘であることに気づくでしょう。

現在高校の理科で地学が化学・生物・物理にくらべるとややマイナーな科目になってしまっていることは大変残念なことだと思っています。今後も、私なりに地学を通して微力ながら、地球や宇宙の素晴らしさを発信していきたいと思います。

follow us in feedly