iはじ め に２０２０年度のノーベル物理学賞は、ブラックホールの理論的研究で功績を挙げたロジャー・ペンローズ博士と、私たちの住む銀河系の中心にブラックホールが存在することを明らかにした、ラインハルト・ゲンツェ

ル博士とアンドレア・ゲズ博士でした。そして、２０２０年 月には、
「はやぶさ２」が小惑星「リュウグウ」

ケロー博士でした。イベントホライズンテレスコープによるＭ 銀河の中心にある超大質量ブラックホールのジェームズ・ピーブルズ博士と、太陽系外の惑星を初めて発見したミシェル・マイヨール博士とディディエ・

からサンプルを携えて帰還しました。２０１９年度のノーベル物理学賞は宇宙論の理論的研究で功績を挙げた

12

多くの哲学者や科学者が同じような疑問をもち、その疑問を解き明かそうと努めてきました。私たちが、私た広がる宇宙はどうなっているのだろう、等々の疑問をもったことはないでしょうか。古代ギリシャの時代からの無い夜空を眺めたことがあるでしょうか。そこに見える満天の星は何なのだろう、天の川は何なのだろう、

ところで、皆様は、都会から離れて、街明かりの少ない山や海に行って、よく晴れて澄み切った、月明かり

世界中で宇宙への関心が高まるばかりです。

宇宙の研究に関して、大発見が報じられるとともに、ノーベル物理学賞として数々の功績が称えられました。

クホールの合体で放射された重力波の初めての検出という功績に与えられました。このように、ここ数年で、影の撮像が大ニュースとなったのは２０１９年４月でした。さらに２０１７年度のノーベル物理学賞は、
ブラッ

87

ii

ちの住む宇宙、星、地球の構造や進化に興味を持つのは本能的な欲求かもしれません。現代でも、物理学者や天文学者が、宇宙の謎、天体の謎、太陽系の謎を、最新物理学を使った理論的研究や最新技術を駆使した観測的研究で、次々と明らかにしつつも、まだまだ多くの謎が未解決のまま残され、さらに新しい謎も生み出されていま す 。

本書は、私たちの住む地球から、太陽・惑星系、星や私たちの銀河系、そして、銀河系の外の世界、宇宙そのもの、さらにはブラックホールやタイムマシンにまで広範囲に及ぶ題材を、みんなが持つ疑問という形で取り上げ、それらに関する最新の研究成果を解説しました。なお、現在でも謎の部分は謎のままであるとして残北本俊二

してあります。本書を読んで、皆さんが、さらに新たな疑問を持ち、宇宙についてもっと知りたい、研究した
いと、好奇心を膨らませていただければ幸いです。

宇宙まるごとＱ＆Ａ ― 目次

はじめに

第１章

Ｑ５

Ｑ４

Ｑ３

Ｑ２

月のクレーターはどうやってできた？

空はなぜ青いのですか？

潮の満ち引きはなぜ起きる？

地球にはなぜ季節があるの？

地球は磁石？

6

太陽から出た光が地球に届くまでどれくらいの時間

太陽の密度はどれくらい？

太陽黒点とは何ですか？

太陽も磁石？

太陽はあと何年光っていられるの？

オーロラはどうして光る？

18

がかかる？
Ｑ９
Ｑ
Ｑ
Ｑ
Ｑ

22

20

24

16

Ｑ８

人類の宇宙像、地球、太陽、惑星、太陽系 （亀田・北本）

Ｑ６

月はどうやってできた？

8
10
14

2
12

Ｑ１ 地球はなぜ丸いと分かるのでしょうか？

Ｑ７

13 12 11 10

4

目次

1

26

i

iii

惑星とは何ですか？

Ｑ

太陽系の大きさはどれぐらい？

冥王星は惑星ではないのです

他の惑星でも山の気温は低い？

Ｑ
Ｑ

小惑星とは何ですか？

隕石や流星はどこから来る？

エピソード～古代ギリシャ時代に、地球の半径を測定した
人～星の半径はどれくらい？

エピソード～古代ギリシャ時代に地動説を唱えた人～

Ｑ
Ｑ
Ｑ

白色矮星とは何ですか？

星の寿命はどれくらい？

星の重さ（質量）はどれくらい？

中性子星とは何ですか？

ブラックホールの中に入ったらどうなるの？

ブラックホールとは何ですか？

ブラックホールはどうすれば観測できるの？

42

か？
Ｑ

土星の環は何でできているの？

北極星はどれくらい遠くにあるの？

Ｑ
Ｑ
Ｑ
Ｑ
Ｑ

どんなブラックホールが見つかっているの？

84

Ｑ
Ｑ

第２章

星 （北本・原田）星というのは何ですか？

Ｑ３星の距離はどうやってはかりますか？

48

36

エピソード～ブラックホール、永遠に潰れる星（１）～

Ｑ

68

Ｑ１

Ｑ４

Ｑ２ 季節によって見える星が変わるのはなぜですか？

Ｑ５ 星はどうして自分で光るのですか？（１）Ｑ７ 星の明るさはどうやって決まりますか？

Ｑ６ 星はどうして自分で光るのですか？（２）Ｑ８ 星の色はどうやって決まりますか？（１）星はバラバラに存在するのですか？

Ｑ９ 星の色はどうやって決まりますか？（２）
Ｑ

38

76

50

66

78

52

40

80

54

19 18

82

56
58

70

30

60

72

32

28

62
64

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14
10

19 18 17 16 15 14 13 12 11

17 16 15

34

46

45

iv

エピソード～ブラックホール、永遠に潰れる星（２）～第３章

私たちの銀河系 （北本）星と星の間はどんなガスがあるの？

宇 宙 に は 地 図 が あ る の？ 番 地 が つ い て い る の？

私たちの銀河系の大きさはどれくらいですか？

か？

Ｑ８ 私たちの銀河系はどんなものでできているのです

Ｑ９
Ｑ

Ｑ

（赤道座標）

宇宙には地図があるの？番地がついているの？（銀河座標）

銀河の質量はどれくらいですか？

Ｑ６ 銀河の中で変わった種類を教えてください

Ｑ５ 銀河と銀河の間隔はどれくらいですか？

Ｑ４

108

星と星の間は何もないの？

Ｑ２星の最後はどうなるの？（白色矮星）

アンドロメダ銀河とは何ですか？

106

104

Ｑ１

Ｑ３

星の最後はどうなるの？（超新星爆発）

超新星はどれくらい明るい？（現代）

Ｑ４

Ｑ６
天の川とは何ですか？

Ｑ１

銀河はどんな形をしていますか？

110

Ｑ５ 超新星はどれくらい明るい？（昔の記録）

Ｑ７Ｑ２銀河の大きさはどれくらいですか？

122

124

120

第４章

Ｑ３

118

116 11486

銀河と銀河団、大規模構造 （北本・原田）
目次

113

94
100

10

11

89
92
96

90

98
102

v

Ｑ７

銀河はバラバラに存在するのですか？

銀河はなぜ集まっているのですか？
ビッグバンとは何ですか？

Ｑ３

地球に住めなくなったら、どこに住めば良い？

系外惑星はどうやって見つける？

Ｑ
Ｑ
Ｑ
Ｑ

ビッグバンが起こったことはなぜ分かる？

銀河はどのようにしてできたのですか？

宇宙はどのように膨張しているのですか？

インフレーション宇宙論とは何ですか？

宇宙ではなぜ宇宙服を着ないといけないのでしょう

Ｑ７

人工衛星はなぜ落ちないのですか？

月でラーメンは食べられますか？

暗黒物質とダークエネルギーとは何ですか？

Ｑ２ 宇宙に始まりや終わりはあるのですか？

エピソード～はやぶさ２の開発段階から帰還まで～

Ｑ８

か？

Ｑ６

134

136

138

Ｑ８ 私たちの銀河系はどこにあるのですか？
Ｑ９
Ｑ

第５章

地球のような惑星は他にもあるのでしょうか？

地球外生命と宇宙旅行 （亀田）Ｑ１

Ｑ４

私は月や火星に行くことはできるでしょうか？

Ｑ２ 最初に見つかった系外惑星はどんな惑星？

Ｑ５

第６章

宇宙はどんな形をしていて宇宙には果てはあるので宇宙の果て （原田・北本）
Ｑ１

144
152 150

14 13 12 11
Ｑ３

170

146

140

168

160

156

132

128 126
130

148
165

158

10
すか？

166

154

vi

143

目次
vii

Ｑ４

重力とは何ですか？
重力波とは何ですか？

Ｑ７
ワープとは何ですか？

世の中の物質はどうやってできたのですか？

Ｑ９
Ｑ
Ｑ
Ｑ

相対性理論とは何ですか？
タイムマシンは作れますか？

ガンマ線バーストというのは何ですか？

ガンマ線バーストの距離論争

188

エピソード～宇宙で１番〇〇なのは何ですか？～

186

184

182

Ｑ８

Ｑ６ 光を追いかけたら光は遅くなりますか？

Ｑ５

172
174
180

178

176
190

12 11 10

第１章
人類の宇宙像、地球、太陽、惑星、太陽系

2

Ｑ１ 地球はなぜ丸いと分かるのでしょうか？

私たちの日常生活では地球が丸いと感じることはほとんどありません。地球は半径約６４００㎞の球に近い形をしています。しかし、私たち人間に比べて非常に大きいので、自分の周りだけを見ていると平らに見えてしまいます。実際、古代の人々は地面が平らであり、球ではないと考えていました。

技術が進み、自分の周りだけでなく遠くのことまで観測できるようになり、地球は丸いということが分かってきました。南北方向に十分離れていれば、同じ時刻で影の長さが異なりますし、港から船が出航し、沖合に到達すると船底の方が水平線より沈んで見えます。これらのことは地球が丸いことから説明できる現象です。

大航海時代に入り、世界１周が達成されたことにより、地球には端がなく丸い形をしている、と広く考えられるようになりました。最近では宇宙から地球の写真を撮ることができており、丸いことは明らかです（図１
１は、はやぶさ２が撮った地球の写真）。

さて、それでは地球はなぜ丸いのでしょうか？ これは主に重力によるものと考えられます。洗面器に水をはると、水を入れている間は水面が揺れていますが、時間がたつと水面は平らになります。この状態から水面が一部盛り上がると、その状態は不安定となり、盛り上がった部分から左右に水が流れ、徐々に水面が平らになります。地球ができた時にも同様のことが起きました。地球の場合は、中心に向かって球対称に重力がかかるため、球の表面が安定した面となります。基本的にはこの面から出っ張った高地から、低地にものが流れま-人類の宇宙像、地球、太陽、惑星、太陽系
第１章

3

す。この結果、地球は丸くなったと考えられます。
細かく見れば地球は単純な球ではなく、高地や海溝があります。最も高い山はエベレスト山（標高約９㎞）であり、最も深いのはマリアナ海溝（深さ約㎞）です。人間に比べるとはるかに大きいものですが、地球の直径に比べるとその高低差は約６００分の１となります。およそリンゴの大きさに対して、皮よりも厚み位になっていて、地形の凹凸は地球全体から比べると小さいのです。

図1-1 「はやぶさ２」が地球スイングバイ後に撮影した地球

提供：JAXA、東大など

11

4

Ｑ２ 地球は磁石？

磁石にはＮ極とＳ極があり、これらは引き合う性質をもっています。また、磁石を糸でつるしておくと、Ｎ

（北）
、
North

（南）からきています）。地上では南北方向に磁力が働いている、ということは古くから知South

極 が 北 を 向 き ま す。 方 角 を 知 る た め に 使 う コ ン パ ス は こ の 性 質 を 利 用 し て い ま す （ Ｎ 極 の Ｎ はＳ極のＳはられていたことのようですが、地球全体が磁力をもっていると考えられるようになったのは、 世紀に入ってれています。実際の地球の内部ではどうなっているのでしょうか。

をぐるぐる巻いたコイルに電流を流すと磁力が発生します。これが電磁石です。電気を使ったモータ等に使わとは考えにくいです。そこで、電流の流れによって磁力を発生させる電磁石があると考えられています。銅線

石は熱すると磁力を失ってしまいます。地球の内部は高温になっているため、同じような棒磁石が入っている

それでは、なぜ地球は磁力をもつのでしょうか。実際に棒磁石があるのでしょうか。私たちが目にする棒磁

きる、ということです。

にした状態を示しています。地球内部にこの棒磁石のような磁力をもつものがあれば、地表での伏角が再現でと水平面の角度を伏角とよびます。図１ ２-は、棒磁石と砂鉄でＮ極、Ｓ極間の磁力の方向を目に見えるようとに注目し、地球の内部が磁石になっていればこの現象が説明できるということを発見しました。磁力の向きからです。イギリスのウィリアム・ギルバートは北に行くと、コンパスの針が水平方向に対して傾いていくこ

15人類の宇宙像、地球、太陽、惑星、太陽系
第１章

5

地球は内側から、核、マントル、地殻で構成されています。このうち核は鉄を主成分としており、固体の状態となっている内側の内核、どろどろの流体になっている外側の外核に分けられます。この外核内の流体の動きによって電流が発生し、磁力が発生していると考えられています。これは「ダイナモ理論」とよばれています。この理論で、多くの現象が説明できるようになってきていますが、まだまだ精力的に研究が進められています。

磁石と砂鉄による磁力の向き

図1-2

6

Ｑ３ 地球にはなぜ季節があるの？

日本では７～８月ごろが１番暑く夏とよばれ、１～２月ごろに１番寒く冬とよばれます。これを 年ごとに繰り返しています。これは地球の動きと関係があります。

暑くなります。また、 月下旬には受け取るエネルギーが最も小さくなり、その後１～２月が最も寒くなりま受け取る太陽光強度が１番強くなるのは６月下旬であり、その後、地表・大気が暖められて７～８月が最もは垂直に置いたときの方が大きくなるわけです。

３下に示すように、同じ大きさの平面板を太陽光と垂直に置いた時と、斜めに置いた時で、受け取るエネルギー

陽方向の角度）が大きくなり、そうすると、太陽から地表面が受け取るエネルギーが大きくなります。図１ -向は、公転の面に対して２３・４度傾いています（図１ ３-上）。そのため夏の間は太陽高度（水平面からの太地球は、北極と南極を結ぶ線を中心に約１日で１回転しています。これを自転とよびます。この自転軸の方ることを説明するためには、さらに地球の自転を考える必要があります。

の距離は１年でほとんど一定であり、太陽から地球全体に届くエネルギーはほとんど変わりません。季節があ

地球は太陽の周りを１年で１周しています。これを公転とよびます。この軌道は円にかなり近く、太陽から1ことが起きているので、７～８月が寒く、１～２月が暑い、ということになります。

す。これは日本だけでなく北半球（特に緯度２３・４度以上）では共通しています。一方で、南半球では逆の

12

7

第１章

人類の宇宙像、地球、太陽、惑星、太陽系

春分

夏至

冬至

北半球から見て
反時計回りに公転
秋分

図1-3 （上）地球の公転運動と自転軸の傾き（下）平面板に当たる光8Ｑ４ 潮の満ち引きはなぜ起きる？

海の水位は半日の周期で上がったり下がったりを繰り返しており、これを潮の満ち引きといいます。水位が１番上がった時を満潮、下がった時を干潮とよんでいます。高低差は数ｍから、場所によっては十数ｍを超えます。これは主に月によって引き起こされる現象です。

地球と月は引力で引き合っていて、ほぼ同じ距離を保っています。宇宙空間では、物体は引力などの力を受けなければまっすぐに進みます。そのため、ある宇宙船が無視できるほど小さい引力の天体の近くを通り過ぎる場合は、宇宙船はほぼまっすぐに進み、天体の距離はどんどん変わっていきます。一方、月は大きな地球の引力を受けて、直進できずに地球側に曲げられた軌道を通ります。この曲がり具合がちょうど地球との距離を一定に保つようになっているのです。

一方で、地球も月から同じ大きさの引力を受けています。地球は月よりもずっと重いので、月に比べるとほとんど動いていないように見えますが、月と同じ周期で、円に近い軌道をとります。この円は小さく、円周上を回っているというよりは、ふらついているようなイメージです。

これを踏まえて、地球表面の海に目を向けてみましょう。地球全体としては、月の引力を受けつつ円の上を回っていますが、引力は距離が近いと強く、遠いと弱くなるため、月に１番近い点には地球の中心の点が受ける引力より強い引力が働き、月と逆側の点には弱い力が働きます（図１ ４-）。中心の点はちょうど良い速さでく間にも地球が自転しているので、ある位置が満潮ためにほとんど変形しませんが、液体の海は変形します。これによって、月側の海面だけでなく、月と逆側の海面の上昇が引き起こされることになります。
しかし、実際には月が真上に来る時間と、満潮の時間は同じではなく、大きくずれており、場所によっても異なります。海面が力を受けて盛り上がっていになる間に月の真下の位置からずれていくことが原

地球に
かかる引力

図1-4 月による潮の満ち引き①月による潮の満ち引き。ただし実際には地球の自転により満潮の位置はずれる。

回っていて、月との距離を一定に保っていますが、月側の点は同じ速さで回っているのに引力が強いた
め、より月側に引っ張られる向きに力がかかります。

因の１つです。潮の満ち引きは地球上で月の引力を感じることのできる数少ない重要な現象です。

月
月側の海にかかる引力

地球
月と逆側の
海にかかる
引力

月と逆側の点は、引力が弱いために遠ざかる向きに
人類の宇宙像、地球、太陽、惑星、太陽系力がかかります。この力に対して地球の地殻が固い

第１章

9

42

エピソード～古代ギリシャ時代に地動説を唱えた人～

実は、エラトステネスが地球の半径を求めたころより前に、ギリシャには太陽の距離が月の距離よりうんと遠いと考えた学者もいました。アリスタルコス（紀元前３１０～２３０ごろ）という学者です。アリスタルコ

スは、月が正確に半月に見える時の太陽と月のなす角を測りました。上弦の月だと、夕方太陽は西に、月は南-の上に示すように、月がちょに見えるので、月と太陽のなす角を測ることができるのです。下弦の月だと、朝太陽が東に、月は南に見える－

観測者の距離）〜〜 1/19ですから、太陽は月より。
0.0526度です。一方、月 観- 測者 太- 陽の角度が８６・９８３度です。

ので、下弦でも構いません。測定した角度は８６・９８３度だったそうです。図１
う ど 半 月 な の で、 太 陽 月- 観- 測者の角度は観測者の距離） （/太陽

これで決まる直角三角形を書くと、21－倍遠いことになります。（実際は３９０倍遠いのです。３９０倍遠いとして、測定されるべき角度は（ 86.983
度）＝（月
cos
およそ

90

-の下に示すように月は地球の影の中に入ります。月は地球の影の３分の21分の１です）。そして、「 倍も遠くにあるはずの太陽が地球の３分の１程度の大きさの月と同じくらいの大き１程度であることがわかります。だから月は地球の３分の１程度の大きさに違いありません（実際は約３・７じです。一方、月食の時は、図１

アリスタルコスはさらに考えました。日食の時確認できるように、月と太陽は見かけの大きさがほとんど同

８９・８５度です。測定が難しかったのでしょうね）。

1919人類の宇宙像、地球、太陽、惑星、太陽系第１章

43

さに見えるのだから、太陽は月より、また、地球よ3.017 度りうんと大きくなければいけない。したがって太陽月が地球の周りを回っているという考え（天動説）はおかしい。地球が太陽の周りを回っている（地動説）と考えるべきだ」というわけです。年代を見ると、アリスタルコスがエラトステネスより 歳年上だか

太陽、月、地球の位置関係

図1-21

ら、エラトステネスはアリスタルコスが考えていた
地動説を信じていたのでしょう。

a : b ＝ 1 : 19

地球

太陽

b
86.983 度
a

35

第２章

星

46

Ｑ１ 星というのは何ですか？

夜空には色々な星が輝いています。でも、どれも同じというわけではありません。特殊な星を除けば、火星

や金星、木星や土星のような惑星、月のような衛星と、太陽のような恒星とよばれる星があります。

月は、皆さん知っているように、三日月になったり、半月になったり、満月になったりします。月は地球の周りを回る地球の衛星とよばれる天体で、ほぼ球形の岩石でできています。自分では光っていなくて、太陽に照らされているところだけが、太陽の光を反射・散乱して光っています。

惑星は、月や地球と同じように岩石でできている金星や火星等と、主にガスでできている木星や土星があります。どれも月と同じように、自分では輝いておらず、太陽に照らされて太陽の光を反射・散乱しているだけです。また、惑星は地球と同じように太陽の周りを回転（公転）しています。そのため、地球と太陽と惑星の位置関係は時期により変化します。その結果、惑星は太陽に対していろいろな方向に見えることになります。

一方、月や惑星以外の多くの星々（恒星）は、昔からほぼ同じ方向に見えています。昔の人は、星々の位置関係から人や動物や道具の形を連想して星座を考え出しました。図２ １-は、冬の星座、オリオン座付近の星

空の写真です。これらの星々は惑星と比べて、私たちからは非常に遠くにある、太陽と同じように輝いている天体です。惑星と同じくらい、あるいは、惑星より暗く見えるのは、遠くにあるからです。もし、近くへ行って見ることができれば、太陽のように明るいのです。また、それぞれの星は、実はそれぞれ動いているのです

星
第２章

47

が、非常に遠くにあるので、少しくらい動いても、私たちから見ていると、ほとんど移動しているようには見えず、長い間いつも同じ方向に見えてお互いの位置関係を保っているように見えます。
では、太陽のような恒星というのは、どんなものでしょうか。実はガスの塊です。多くの星では、ほとんど水素でできたガスです。ヘリウムもある程度含まれており、さらにもっと違う種類の元素も少し入っています。ガスが集まって宇宙空間にぽっかり浮いているような存在です。

オリオン座

提供：国立天文台

図2-1

48

Ｑ２ 季節によって見える星が変わるのはなぜですか？

恒星とよばれる自分で輝いている太陽のような星は、地球から見て方向がほとんど変わりません。星座を思

い出してください。夏の星座ははくちょう座、わし座、こと座が有名です。秋になると、アンドロメダ座やペガスス座が見えます。冬はオリオン座、春はおとめ座やしし座が有名ですね。

恒星はほとんど動かないのに、季節によって見える星座が違っているのは、どうしてでしょう。もう少し考えてみると、季節によって星座の見え方が変わりますが、その形は変わりません。また、１年がたつと、１年前と同じように星座が見えます。実は秋の星座というのは、秋の夜９時とか 時ごろに見える星座ということです。夏の星座は夏の夜９時から 時ごろに見える星座ですが、時間が経過して真夜中に近づくと、秋の星座

10１日にほぼ１回転するのだけれど、実は 時間

分で１回転すると考えた方が良いのです。
56です。ところが、地球は太陽に対しては１周するけど、恒星に対してはおよそ 時間分で１周していること

56になります。１日およそ４分ずつのズレが、１年の３６５日蓄積すると、１４４０分、すなわち 時間分変わっ

23

では、１日というのはなんでしたっけ。１日というのは、地球から見て、太陽が地球の周りを１周する時間23

向に見える時間が毎日約４分早くなってきます。だから、星座をつくる恒星たちが動いたというより、地球は地球から見える時刻が変わってしまったのですね。ある決まった星を詳しく観察すると、地球から見て同じ方が東から登り出し、真夜中には見ごろになります。さらに明け方には冬の星座たちが東の空から登り出します。

10

24

星
第２章

49

てしまいます。あたかも、太陽が恒星たちの間を１
年かけて１周回るように見えているのです。逆に地球が太陽の周りを１年かけて１周回っていると考えても良いですね。すなわち、地球が太陽の周りを１
年かけて１周していると考えるとうまく説明できます。 図 ２ ２- の よ う に １ 日 で 地 球 が 太 陽 の 周 り を 少し回るので、恒星に対して１周しても、太陽は元の方向にはならず、１周の３６５分の１だけ方向がズレてしまったので、およそ４分（すなわち 時間の
３６５分の１）だけ、遅れて、太陽は元の方向に見えるの で す 。

太陽の周りを公転する地球

図2-2

24

50

Ｑ３ 北極星はどれくらい遠くにあるの？

恒星は非常に遠くにあるため、本当は太陽のように明るいけれど、夜空の星としてささやかに輝いて見えています。では、どれくらい遠くにあるのでしょうか。

皆さんは北極星を見たことがありますか。昔は、山の旅や海の航海では迷わないように星を見て方角を知ったのですが、その時、いつも北の方向に見える北極星が頼りになるのです。でも、北極星は２等星で特に明るい星ではありません。距離は４３３光年です。１光年とは光が１年の間に進む距離ですから、私たちが見ている北極星からの光は、北極星を４３３年前に出発した光です。光は１秒間におよそ３億ｍ進みます。１年はおよそ３千万秒ですから、３億ｍの３千万倍の４３３倍の距離にあるということです。

さて、太陽をのぞいて１番近い恒星は、ケンタウルス座のアルファ星です。私たちから４・３光年離れたところにあります。４・３光年ですから、光の速度で４・３年かかる距離ということです。太陽までは光の速度でおよそ５００秒ですから、太陽に比べておよそ 万倍の距離ということになります。北極星はケンタウルス座の方に位置する太陽系の中の地球に住んでいます。また、銀河系は比較的平たい形をしているので、私たちが、んの星が密集しているからです。私たちは、銀河系とよばれる巨大な星やガスなどの集まりの中の、比較的端みなさんは天の川を見たことがあるでしょうか。天の川はボヤッと光る雲のように見えます。これはたくさ

アルファ星のおよそ１００倍の距離にあります。

27

星
第２章

51

この銀河系の平たい面に沿った方向を見ると、たく
さ ん の 星 が 天 の 川 と し て 見 え る の で す（ 図 ２ ３-）。
この銀河系の中心までの距離はおよそ２万５千光年です。銀河系そのものは半径４万から５万光年です
から、私たちから見ると、銀河系の中心を超えた向こう側の端、およそ７万光年の間に多くの星が存在

提供：福島英雄

しているわけです。私たちの銀河系から外に出ると、星はほとんど無くなりますが、私たちの銀河系と同じような星やガスなどの集まりである銀河が点在しています。これら銀河の中の星は私たちの銀河系内の星々よりもっと遠くにあるというわけです。

天の川（銀河系の中心方向）

図2-3

52

Ｑ４ 星の距離はどうやってはかりますか？

恒星は非常に遠くて、いろいろな距離にあります。光の速さでも、何年も何百年も、もっとかかる距離にある星もあります。さて、そんな遠くの星の距離はどうしたら測ることができるのでしょうか。

実は、星の距離を測定することは大変難しい研究です。地球は太陽の周りを１年かけて１周します。月夜に散歩すると、月がついて来るように感じた経験はありませんか。電車から外の景色をながめたら、近くの景色

はどんどん後ろ方向に流れていくのに、遠くの景色はゆっくりとしか流れていきません。同じように、私たちが月夜の夜道を歩いても、遠くの月の方向はほとんど変化しないので、月は私たちについて来るように感じるのです 。

同じように地球が太陽の周りをぐるぐる回ると、遠くの星はほとんど方向が変わらないけれど、比較的近い星は地球の動きにあわせて、見える方向が変わります（図２ ４-）。１年間、星の方向を精密に測定すると、近くの星は遠くの星に比べて１周ぐるりと回転しているように見えるのです。地球が太陽の周りを回る半径は分かっているので、この星の回転する大きさを調べることで、星までの距離を知ることができます。三角測量の原理です。この方法で比較的近い星の距離が測定されています。

一方、遠くの星は変化が小さくて測定するのが困難です。そこで、距離の分かった星の性質、例えば、ある種類の周期的に明るさが変わる星では、周期が分かれば、本当の明るさ（ある決まった距離にあれば、どれく

星
第２章

53

季節によって見える方向が変わります

らいの明るさに見えるか）を知ることができます。

恒星

そうすると、見えている明るさを観測すれば、どれ

みかけの
恒星の動き

くらいの距離にあるか計算できるというわけです。

地球

その他にも、いろいろな方法で星の距離の測定が行われて い ま す 。
三角測量の方法は大変分かりやすく、間違いのない方法です。星の方向を測定する精度をどんどんあ太陽

地球

げると、遠くの星まで三角測量で距離を求めることができます。三角測量で星の距離を測定することを目的として、２０１３年 月 日に欧州宇宙機関（Ｅイア衛星は、今もたくさんの星々の距離や、また、ＳＡ）から、ガイア衛星が打ち上げられました、ガ19

星々の微小な動きを観測し続けています。

地球の公転を利用した三角測量

図2-4

12

54

Ｑ５ 星はどうして自分で光るのですか？（１）

恒星と惑星の違いは、恒星は自分で光っているけれど、惑星は自分では光らず、太陽等の光を反射や散乱しているだけ、ということでした。では、恒星はどうして自分で光ることができるのでしょうか。

皆さんは万有引力という言葉を聞いたことがあるでしょうか。 世紀にニュートンがりんごが木から落ちる

す。縮んでいる原子や分子の全質量が重いと、中心が高温、高密度になります。そうなると、ただ単に万有引

このようにして、数密度の大きな原子や分子の塊ができます。温度も収縮するにつれて、高くなっていきまエネルギーを減らしながら、さほど温度が上がらず、さらに収縮することが可能となります。

子が飛散しようとする運動のために、さらに収縮することができなくなるのですが、分子等が光を出すことで分はより収縮し、原子や分子の数密度がより高くなり、温度も上がります。温度が上がりすぎると、原子や分中にさらに周りより数密度の大きな部分があると、原子や分子は、お互いに引っ張り合うのですから、その部

まずは、恒星ではなく、希薄だけど周りよりは数密度が大きな原子や分子の雲があったとしましょう。雲のそしてますます集まろうとする力が働いています。

恒星であるガスの塊も、ガスに含まれる水素等の原子同士の万有引力により、お互いに引き付けあっています。

いう性質です。恒星は、主に水素のガスが集まって宇宙にぽっかり浮いているガスの塊のようなものでした。

のを見て発見した、と言われている、万有引力です。その名の通り、すべての物質がお互いに引き付け合うと17

力で引っ張り合うことで温度が上がるばかりではな
く、実は、核融合反応という反応を起こして、さらスの塊の表面から光として放射しながら、ガスの塊

万有引力に大きなエネルギーを出すことが可能となります。

どの高温に安定に保ちます。これが、恒星というわ

核融合

核融合反応で大きなエネルギーを出すようになれば、このエネルギーで原子や分子はさらに高温になることができるのです。そして、万有引力で縮もうと す る 働 き と、 核 融 合 反 応 で 生 み 出 さ れ た エ ネ ル
ギーで高温となり飛散してしまおうとする働きが釣り合います（図２ ５-）。また、核融合反応で生み出されたエネルギーは、原子でできたガスの塊の表面けです 。

万有引力を高温ガスが支える恒星

図2-5から、光として放出されます。ガスの塊は、中心付星

近で核融合反応を続け、生み出したエネルギーをガ

第２章の温度を、万有引力で縮もうとする働きを止めるほ

55

第３章

私たちの銀河系

90

Ｑ１ 星と星の間は何もないの？

）とよぶ距離の単位もあります。１

はおよそ３・３

太陽に最も近い恒星、ケンタウルス座のアルファ星でも、光の速さで４・３年かかるほど遠く、すなわち４・３光年離れたところにあります。天文学ではパーセク（光年です。太陽近傍の恒星たちの間隔はおよそ１ よりすこし大きいくらいです。

pc

pc

度は、絶対温度で数万度のところもあれば、数十度のところもあります。また、温度が低いところは数密度が星間空間を漂う原子や分子の数密度は、平均すれば１㎤あたりおよそ数個でした。これらの原子や分子の温でも極高真空とよびます。この値に比べても、星間空間は、本当に物がない状態に近いということができます。

ようと努力しても１㎤あたり数百個（千兆分の１気圧のさらに百分の１）ぐらいが今の限界なようです。これ

験室で真空にする装置（真空ポンプといいます）を、頑張って使っていろいろ工夫を凝らして真空状態を実現し地球の大気は１㎤あたり何個の分子があるか知っていますか。１㎤あたりおよそ３千兆の１万倍個です。実電子に分かれて存在している場合もあります。

場合もあれば、２個の原子がくっついて分子（ H）になっている場合もあります。さらに、原子がイオンと2

もちろん、場所によってもっと数密度の高いところもあります。また、水素原子が１個ずつ（ ）Hで存在する

ちの住む銀河系内の星間空間では、平均するとおよそ１㎤あたり数個の主に水素の原子や分子が存在します。

この星と星の間を星間空間とよびますが、どんな場所なのでしょうか。宇宙ですからほぼ真空ですが、私た

pc高くなっています。大雑把に１㎤あたり１個で温度が１０００度と仮定して、分子の持つ運動エネルギー万分の１です。それ以外の星からの光や星間空間のガス、光、宇宙線と磁場を計算すると、１㎤あたりおよそ２Ｊの千兆分の１のさらに宇宙ができた頃から存在する光（宇宙マイクロ波背景放射）も漂っています。宇宙ができた頃から存在する光のエネルギー密度は、漂う原子や分子と同程度です。そればかりか、どこで作られたか未だ謎である、宇宙線とよばれる高エネルギー（高速で飛んでいる）の粒子も存在し、１㎤あたりの平均エネルギーにすると、漂う原子や分子の運動エネルギーを超えるほどになります。また、磁場も存 在し、そのエネ
ルギー密度もおよそ宇宙線と同程度です。エネルギー

光のエネルギーや高速で走り回る宇宙線、さらに宇で比べると、漂う原子や分子がもつエネルギーより、宙に存在する磁場の方が大きいのです（図３ -）。
１

図3-1

10

第３章

私たちの銀河系

91

92

Ｑ２ 星と星の間はどんなガスがあるの？

星間空間を漂うガスを構成する原子や分子の粒子数は、平均すれば１㎤あたりおよそ数個でしたが、もちろん濃いところもあります。分子雲とよばれるところは、漢字の通り水素の分子が主な構成物で、密度が比較的濃いところです。１㎤あたり何万、何十万個もある場合もあります。水素分子（ H）ばかりではなく、一酸
2度程度です。密度が高いところでは、万有引力のためにさらに粒子が集まり、化炭素（ CO）や一酸化窒素（ CN）なども観測されています。さらに、複雑な分子も発見されています。
分子雲の絶対温度はおよそ領域（ Ｈ領域）ができます。このＨ 領域では、水素の出す特徴的な光で観測すると輝いて見えます。

や近傍のガスの吹き出しによって原子や分子のガスの温度もあがり、密度も下がって、水素の電離ガスによる外向きの流れ（双極分子流）があったり、原始星からの光により原子が電離されたりします。原始星からの光始星ができます。粒子が集まる時は、集まる粒子以外に放出する粒子も伴います。原始星の周りでは、分子の分子雲コアとよばれる特に濃いところができます。分子雲コアにさらに粒子が集まってくると星の素である原10Ⅱた恒星のまわりにある、水素の特徴的な光で輝く電離した水素の領域（Ｈ 領域）やその周りのまだ恒星の影ころに多くの恒星が生まれることがあります。この星たちの周りにはふくざつな構造が観測されます。生まれ

やがて原始星は進化して中心で核融合反応が起こりはじめ、恒星が誕生します。１つの分子雲の中で、同じⅡ響を受けていない原子や分子の密度が大きい領域が、生まれた星の光を散乱や反射して光って見える雲（反射Ⅱ私たちの銀河系第３章

93星雲）、また、粒子の数密度の大きい領域が反射星
雲やＨ 領域の手前に存在して影として見える領域（暗黒星雲）などが混在します。図３ ２-は、誕生したばかりの星々のまわりに、反射星雲やＨⅡ領域、暗黒星雲がよく見える三裂星雲（Ｍ ）とよばれる領域で す 。

度は１㎤あたり数個から数百個です。私たちの銀河

るガスの温度は数百万度から数千万度、粒子の数密出した残骸です。超新星残骸とよびます。そこにあの光などとともに周りにエネルギーの高い粒子を放ところがあります。かつて超新星が爆発して、大量星間空間には、もっと高温で粒子の数密度が低い

20系の中にはあちこちに超新星残骸が点在します。

三裂星雲（M20）

提供：国立天文台

図3-2

Ⅱ

191 第６章 宇宙の果て「宇宙で１番速いものは？」正解は光です。特殊
相対論により通常の物体は光の速さを超えることができません。実は光よりも速い粒子タキオンが提案されたことがあるのですが、いままで全く見つかっていま せ ん 。
「宇宙で１番熱いものは？」現在の宇宙に限ってみると、中性子星連星の合体は非常に高温の現象で約１兆度を超えるかもしれないといわれています。
また、宇宙誕生直後にはさらに高温・高密度の状態が実現していたと考えられています。
「宇宙で１番冷たいものは？」宇宙は絶対温度２・７２５Ｋの宇宙マイクロ波背景放射で満たされていますが、これより温度を下げることも可能です。しかし、温度には絶対的な最低温度（絶対零度）があります。摂氏マイナス２７３・１５度です。これより低い温度は存在しません。

193 索

引

索

引

【あ】

オールト、ヤンアインシュタイン , アルバート

オールトの雲182
アインシュタイン方程式
青い空

10

朝焼け

10

84

オーロラ

24

温暖化

150

【か】

アリスタルコス

ガイア衛星

42

アルマ電波望遠鏡
暗黒星雲

カー解

67

93

暗黒物質

104, 120, 127, 130, 136,170
アンテナ銀河イトカワ

53, 111

82

角運動量

159

核分裂反応

56

核融合反応

26, 55, 56

カシオペア座 A 98

122

火星

38

一般相対性理論32, 152

火星衛星探査機 MMX

84, 86, 172, 182

加速膨張

イベントホライズンテレスコープ
38

インフレーション理論
ウィーラー、ジョン
渦巻銀河

140

68

かに星雲

99
100

かみのけ座銀河団

116

宇宙項

125

褐色矮星

カミオカンデ

86

干潮

171
130

ガンマ線バースト

宇宙の地平線

138, 140, 166

季節

宇宙飛行士

154

球状星団

エラトステネス
遠心力
小田稔

30

129
186, 189

40

巨星

86

オリンポス山

66

巨大衝突説

116

オッペンハイマー、ロバート
32

128

極 超 新 星（ ハ イ パ ー ノ バ ） 101,

84

18

円盤銀河

65

局所（あるいは局部）超銀河団

134

カイパーベルト、エッジワース
エディントン、アーサー

186, 1886

局所（あるいは局部）銀河群

132, 134

宇宙マイクロ波背景放射

1268

宇宙の泡構造宇宙膨張

15, 153

140

活動銀河核

80
隕石

106
30

86

銀緯

110

銀河

51

銀河間ガス

14

126

194
銀河群

126

重力

銀河系

50

重力波

銀河座標

縮退

118, 126

銀河団ガス

174

重力波観測装置

110

銀河団

172

縮退圧

126

175

94
72, 74

銀経

110

主系列星

金星

32

シュヴァルツシルト解

空間曲率

166

66

準惑星

28, 36
36

クェーサー

124

小惑星

クレーター

12

小惑星帯

系外惑星

36

ショートガンマ線バースト

145, 146, 148, 150

ゲズ、アンドレア

磁力

105
98

人工衛星

ケプラー宇宙望遠鏡

144, 149

彗星

ケプラーの第３法則

16

すばる

64

スピカ

70

元素

36

159

38

スローンデジタルスカイサーベイ

56, 178

ケンタウルス座アルファ星

50（SDSS） 130

ゲンツェル、ラインハルト

105

星界の報告

光学航法カメラ ONC

160

102

星間空間

90

光条

12

セイファート、カール

恒星

46

セイファート銀河

構造形成

176

赤緯

108
109

光年

50

赤経

黒点

20

赤色巨星

国立極地研究所

南極・北極科学館

24
100

【さ】

96

赤道座標

108

赤方偏移

134

絶対等級

58

絶対零度

191

52

セファイド型変光星

散開星団

64

ゼーマン効果

酸素濃度

150

114

20

シュヴァルツシルト、カール
8

時間の遅れ

184

時空特異点

78, 168

事象の地平面

122

27, 94

赤色超巨星

三角測量

潮の満ち引き124

124

セイファートの６つ子銀河

137

光速度一定の原理

小柴昌俊

187

4

ケプラー、ヨハネス

ケレス

82

76, 78

双極分子流

84

92

ソフトガンマ線リピーター

186

195 索引【な】【た】ダイナモ理論5

ニホニウム

タイムマシン184

ニュートリノ

ダイモス
太陽

56
96

15
【は】

10

太陽観測衛星「ひので」 22

パウリの排他律

太陽系外惑星

爆縮

29

楕円銀河

116, 118

タキオン

191

97

96

白色矮星

27, 72, 84, 95
はくちょう座 X-１ 86

ダークエネルギー

170

パーセク

タランチュラ星雲

68

ハッブル、エドウィン

58, 90114

地殻

5ハッブル - ルメートルの法則

地球2, 4, 6, 150, 158

ハビタブルゾーン

地動説

パラドックス43

チャドウィック、ジェームズ85

チャンドラセカール、スブラマニア
ン72, 84

チャンドラセカール限界
中性子星

84

74, 85, 86

潮汐力

78

超新星

98

パルサー

185

75

バルジ

107

ハロー

107

はやぶさ

37, 38はやぶさ２

13, 37, 39, 160

反射星雲

93

万有引力

172

超新星残骸

93

ビッグバン

超新星爆発

96, 179

ビッグバン元素合成

超新星1987A

100

ビッグバン特異点

月

12, 152, 156, 159

130, 132
178
168

ビッグリップ特異点

169

月旅行

152

ヒューイッシュ、アントニー

電磁波

176

フォボス

天動説

43

土星

15

不規則銀河

特殊相対性理論

183

藤原定家

117
98

負のエネルギー密度

34

土星探査機「カッシーニ」 35

ブラーエ、ティコ

ドップラー効果プラズマ

138

ドップラー法148
166

トラピスト1

144

22, 2476, 80, 86, 97

23

プロキシマケンタウリ

トランジット法148

トルマン・オッペンハイマー・ヴォ
ルコフ限界

181
98

ブラックホール
フレア

トポロジー

86

プロキシマ星
分子雲

138

144

66

92

分子雲コア

92

144

86

196
ペガサス座51番星

146

矮小楕円銀河ヘール、ジョージ

20

矮小不規則銀河

偏光

惑星状星雲

118

21

ペンローズ , ロジャーボイジャー1号
ヴォイド

ワームホール

76

ワープ

31

118

95
180

180

127, 130

棒渦巻銀河
捕獲説

【英数字】

116

BeppoSAX 189

14

ホーグの天体
北極星

124

50

ティティウス・ボーデの法則

36

G1.9+0398

HII 領域92

KAGRA 175
LIGO 80【ま】マクスウェル山
マントル

32

5

M1

99

M57

95

R136a1

68, 7199満潮

8SN1006

冥王星

28

X 線観測衛星「ウフル」 86

明月記

98

メシエカタログ

114

【や】
夕焼け

10

揺らぎ

136

ヨーロッパ南天天文台（ESO） 71
【ら】
リュウグウ

13, 37, 39, 160

りゅうこつ座イータ星
流星

68, 7138

量子力学

84, 86

レーダー

16

連星系

64

連星パルサー175

ロングガンマ線バースト
ローレンツ変換
【わ】
矮小銀河

118

176

186

2重星

60

3C58

99

【著者紹介】【著者紹介】

内山 俊二（きたもと
秀一（うちやま しゅんじ）
しゅういち）（2 章，3 章）
北本
最終学歴：東海大学大学院医学研究科博士課程生体構造機能系専攻
立教大学
理学部 教授
学位：博士（医学）
理学博士
専門分野：高エネルギー天文学
現職：東海大学体育学部体育学科 教授
野坂俊弥（のさか

としや）
（6 章）

原田
知広（はらだ ともひろ）
最終学歴：筑波大学大学院修士課程体育研究科健康教育学専攻
立教大学 理学部 教授
学位：博士（スポーツ医学）
博士（理学）
現職：東海大学体育学部生涯スポーツ学科 教授
専門分野：一般相対性理論・宇宙物理学・宇宙論
八田 真吾（かめだ
有洋（はった しんご）ありひろ）
（1 章，4 章，5 章，7 章，8 章，9 章）
亀田
最終学歴：筑波大学大学院博士課程体育科学研究科体育科学専攻
立教大学
理学部 教授
学位：博士（学術）
宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所特任教授
現職：東海大学体育学部生涯スポーツ学科 教授
博士（理学）
専門分野：惑星科学

スポーツと運動の生理学
宇宙まるごとＱ＆Ａ－はやぶさ２からブラックホールまで－
実践・指導の現場に役立つ知識と応用
2021年２月11日
2020年９月７日 初版第１刷発行
初版第１刷発行
著
著

者
者

発
発行
行者
者

発行
行所
所
発

理工図書株式会社

北
内
原
野
亀
八

本
山
田
坂
田
田

俊 一
二
秀
知 弥
広
俊
真 洋
吾
有

柴
柴 山
山

斐
斐呂
呂子
子

〒102-0082〒102-0082 東京都千代田区一番町
東京都千代田区一番町27-2
27-2
電話
電話03（3230）0221（代表）
03（3230）0221（代表）ＦＡＸ
ＦＡＸ03（3262）8247
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振替口座振替口座 00180-3-36087
00180-3-36087番番
http://www.rikohtosho.co.jp
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in in
Japan
内山秀一
Ⓒ 北本
俊二 2020
2020Printed
PrintedJapanⒸ
ISBN978-4-8446-0899-8
ISBN978-4-8446-0904-9
印刷・製本 丸井工文社
丸井工文社
印刷・製本
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