世界のつくり／天体編・２２

２２・ビッグバンを見たい、ったって

光の正体である電磁波は、当然ながら、光速というスピードで進む。
どの電磁波も、天体で生成されてから人類の観測の網に掛かるまでの間に、距離÷速度という時間がかかる。
地球から１光年離れた天体を飛び出したとして、地球に到達するまでには１年がかかるので、その電磁波を観測することは、１光年先の宇宙の１年前の出来事を見ているということになる。※１
１０万光年先の電磁波を観測しても、それは１０万年前の宇宙の姿なのだ。
ということは、１３８億年の彼方の電磁波を観測できれば、ビッグバンの姿を拝めることになる。
理論上は、実際にそれを見ることは可能だ。
ところが、ある理由から、それは絶対に見られない。
その理由とは、前にも説明したところの、ビッグバン直後のプラズマ状態だ。
宇宙開闢から、陽子が電子と結ばれる３８万年後の「宇宙の晴れ上がり」まで、この世界は素粒子が入り乱れる光と熱のエネルギースープ状態だったために、そこをのぞき込んだところで、どんな電磁波も単独で抽出できない。
なので、ビッグバン直後、あるいはビッグバンイベントそのものの様子を電磁波で見ることは、決してできないのだ。
だったら、電磁波でない波を観測すればいい。
そこで、重力波の出番！というわけだ。
ビッグバンは、その後の世界を構築するすべての物質が「点」にまで純化された、いわば超密度を超えた無限密度の質量塊なので、時空間のゆがみたるや途方もない。※２
そんな特異点が発する重力波を検出しよう・・・すなわち、「重力波でもってビッグバンの姿を明らかにしよう」というのが、最新の人類の宇宙観測における企てなんだった。

つづく

※１　よく例えられるところでは、「地球上で見る太陽の光は、８分前に太陽から放たれたもの」というやつ。７分前に太陽が爆発しても、情報の到達に８分がかかることから、ぼくらはその間は平気でゲームをして過ごせる。
※２　逆に、このゆがみのことをわれわれは「時空間」と呼んでるのだが。

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世界のつくり／天体編・２１

２１・電磁波、って

宇宙観測とは、宇宙空間を漂う電磁波をつかまえることと同義だ。
それが「宇宙を見る」って意味なんだ。
電磁波とは、光の波（光子という素粒子の振動）のことで、波の質や強弱によっていろんな種類に選り分けられる。
ぼくら人類は、そのうちの「可視光」というレンジを視神経で捉え、脳に「外世界の風景」として解釈させる。
だけど、物体の情報を教えてくれる波・・・つまり見える光線は可視光だけじゃない。
可視光は、電磁波のうちで波長の長いものから短いものまである中での、ちょうど中間あたりのバンドだ。
その他にも、可視光よりもエネルギーが弱い赤外線、電波や、逆に強い紫外線、Ｘ線、ガンマ線なんてものがある。
そんないろんなタイプの波を、人類の目を超越した機能を持つ装置に分析させれば、天体の外観だけでなく、温度や構造、環境からの生成物、さらには営みそのものまで、より多面的に天体を理解できる。
波は、情報のかたまりなんだ。
見た目だけじゃなく、いろんな種類の電磁波が教えてくれる多様な要素を総合し、よりリアルな宇宙の形を得ようとするのが宇宙観測、ってわけだ。
が、電磁波ではどうしても見られないものがある。
それが、ビッグバンの姿だ。
そして、それを見せてくれる波がある。
それが、重力波だ。

つづく

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世界のつくり／天体編・２０

２０・重力波、って

質量を持つ物体の周囲の時空間はゆがむ・・・って、そろそろこのフレーズは読み飽きてきたかもしれないけど、この部分は（そしてここ最近書いてる章は）シンプルな古典物理学なんで※１、直感的に理解しておいてほしい。
質量が大きければ大きいほど、周囲の時空間は大きくゆがむ・・・ってルールも、もう頭に叩き込まれてるはずだ。
大質量星が点にまで押しつぶされたブラックホールの周囲ときたら、途方もないゆがみ方をしてる・・・ってことも、前提となる知識から自然に導き出される。
そのゆがみが、現代物理学で言う素粒子＝「場」の偏在だ。
その場のへこみに落ちる加速度こそが、重力の正体なんだった。
さて重力は、ニュートンさんが数式で示した「その力は距離の二乗に反比例する」ことからも導かれる通りに、果てしない遠くにまで影響を及ぼす。
重力は、とても弱くても、その威力の届く距離は無限なんだ。
これは、ひとつの物体の存在は宇宙の裏側の形をも少しだけ変える、ってことを意味する。
質量が周囲の時空間に対して与えるゆがみ（場の偏在）は、べた凪状態の湖の中心に石ころを投げ込んだときに立つ波がはるか離れた岸辺にまで及ぶように、宇宙の隅々にまで達する。
アインシュタインさんの予言したこの現象こそが、重力波だ。
重力波は、夜空を彩る天体の（すなわち物質の質量）の分だけ※２、宇宙空間を飛び交ってる。

つづく

※１　グルーオンで結びついたクォークがヒッグス粒子の媒介で重力場（まだ未確認のグラビトン場）と相互作用し、ぼくら人類が感覚するところの時間と空間を相対的に伸び縮みさせる・・・というのが、現代科学における言い回しだ。
※２　ただ、物質の総量と重力波の総量とは等量ではない。宇宙に存在する質量は、目に見える天体の分の他に、「暗黒物質（ダークマター）」という未解明の質量が大量にある。

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世界のつくり／天体編・１９

１９・破壊と創造、って

大質量を無限密度の点にまで煎じ詰めたブラックホールは、アインシュタインの重力マットモデルにおける谷底の存在だ。
そのモデルでは、物質の周囲の空間は質量の大きい小さいに応じてゆがみ、初期値において平面と想定した場にへこみをつくるんだった。
その意味で、ブラックホールはへこみじゃなく、果てしなく深い穴だ。
シュバルツシルト半径「ギリ」のラインでは、その勾配は緩やかだが、脱出速度の綱引きに負けてその力に引きつけられたが最後、深みに向かって限りなく加速させられ、時間ごと引き延ばされ、無限の降下らせんを片道切符で進まされる運命となる。
素粒子も、ちりも、隕石も、星も・・・運悪く周辺に位置取ってしまったすべてのものが、穴に飲み込まれる。
ひとつの星がブラックホールの重力圏に入ると、例（ニュートンの力学）によって軌道は放物線を描き、特異点に向かうらせんを遠回りに落ち込みはじめる。
さらに、その星の重力の影響下にある別の星もまた、らせん軌道に追随する。
その別の星の重力もまた、別の別の星ぼしの運動との相関関係にある。
こうしてブラックホールの支配図は広大なものとなり、宇宙空間のそのエリアに存在するあらゆる天体が、壮大なダンスホールをめぐる回転運動をはじめる。
特異点に近いものは速く、遠く離れたものはゆっくりと。
こうしてついに「銀河」が形成される。
ブラックホールは、一切を粉砕して畳む破壊活動と表裏一体で、こんなにも壮麗な創造活動をしてるんだった。

つづく

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世界のつくり／天体編・１８

１８・光まで飲み込む、って

巨大天体一個分もの質量を「毛先ほどの点」に丸め込む、というこのオーダーは、小山をスプーン一杯分に圧縮、なんてレベルじゃない。
無限の高密度だ。
ブラックホールには大きさがないんだから、数式上では、単位あたりのポテンシャルエネルギーは無限大、ってことに実際になるんだ。
そのポテンシャルとは、重力だ。
ただ、ブラックホールが生み出す（消し去る、か）仕事は、現実には無限ってわけじゃない。
ブラックホールにも大小があって、それは「点の重力が影響を及ぼす半径」と定義でき、その広さは、かつて星の姿だったときの質量に伴う。
具体的には、「このラインから奥に踏み入ると必ず深みに落ち込みますよ」「そして、決して抜け出せませんよ」というシュバルツシルト半径が、そのブラックホールのサイズってことになる。
この立ち入り禁止ラインを越え、重力圏に捕らえられれば、物質はおろか、光でも逃れることはできない（光も粒子なのだ）。
その理屈は、こうだ。
万有引力の法則では、大質量を持つ物体（例えば星）の重力圏から飛び出すには、質量の大きさに応じた脱出速度が定められてて、単純な言い方をするなら、「地球から宇宙空間に飛び出すには、鳥や飛行機のスピードじゃ無理で、ロケットの高速度が必要」という。
星の質量・・・つまり重力が大きければ大きいほど、脱出速度は高く設定される。
その脱出可能速度が、計算上で光速を越えると、光も自分の飛ぶ速度（つまり光速）では重力を振り切れなくなる。
つまり、光も特異点に飲み込まれる、ということになる。
だからブラックホールは、純粋な闇なのだ。

つづく

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世界のつくり／天体編・１７

１７・ブラックホール、って

重力崩壊に至るチャンドラセカール限界をはるかに超え、太陽の何十倍もある超巨大天体を想像してみて。
その質量たるや、途方もない。
そんな星の最期は、想像を絶する爆縮だ。
芯部には、全質量にのしかかられた圧力で、重たい重たい中性子の塊ができていく。
・・・と、ここまでは前回に見たプロセスだ。
ところがこの大質量星は、芯部に質量を集中させればさせるほど、のっぴきならないほどの強い重力源をつくってしまう。
その反動の超新星爆発で飛び去ろうとする陽子たちをも引きつけるほどに。
そんなわけで、超新星爆発は起きず、大質量は収縮をつづける。
芯が全質量を飲み込んでしまうまで、それはつづく。
果てしなく縮みつづける、とまで言っていい。
超巨大天体が、点になるまで、だ。
「点」の数学的な定義は、「大きさがなくて位置だけがある」というものだけど、言葉通りにその姿になる。
ビッグバンを思い出すかもしれないけど、あれは物質の吐き出し口だった。
今度は、飲み込み口の特異点だ。
この猛烈重力の穴こそが、ブラックホールだよ。

つづく

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世界のつくり／天体編・１６

１６・超新星爆発、って

おびただしい量の中性子が、ギュギュッと押し詰まってできた超流動（摩擦係数ゼロでトゥルントゥルン）天体。
この、ドでかい原子核とも言えそうな物体が、重たい重たい中性子星だ。
なにしろこの天体ときたら、とてつもない高密度のために、スプーン一杯で小山ほどもの重さがある。※１
だけど、かつて巨大天体を構成してた質量のすべてがここに固められたわけじゃない。
電子を捕獲しそこなって中性子になりきらなかった陽子たちは、爆縮の終局に、電荷の反発力やらなんやらで、膨大なエネルギーを放出する。
縮みきったバネが、次の瞬間に伸びきるように、大・大・大爆発を起こしたんだ。
核融合なんてまるで目じゃない、とんでもないカタストロフィだ。
ぽんっ！
これが、超新星爆発だ。
新しい星が生まれた！と昔のひとが勘違いをしたほど、夜空の一点を強烈に（ほとんど月のように！）輝かせるこのエネルギーによって、ついに鉄以上の元素の原子核が生成され、周囲にばらまかれる。
金、銀、プラチナ、ナントカニウム、カントカニウム・・・宇宙空間には、こうして１００種類もの元素が散りばめられるわけだ。
そして再びそれらが万有引力で集まり合い、天体を構成し、核融合活動をはじめ、元素を練り上げていく。
ぼくらの世界は、こうして彩り豊かになっていったんだよ。
さて、その結果として取り残された中性子星だ。
この「巨大天体の生涯の末路」とも言うべき原子核現象の残渣は、その密度に比例して、強い強い重力源になった。
さてきみは、ＳＦ映画なんかに出てくる、これとよく似た存在を知ってるはずだ。

つづく

※１　この星にひとが降り立てば、じゅんっ！・・・一瞬にして地面に向かって蒸発してしまうだろう。そして中性子に解体されて、星の内部に溶け込むだろう。

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世界のつくり／天体編・１５

１５・中性子星、って

巨大天体の全質量は、深層部の中心一点に集中する。
その芯部にかかる強大な圧力・・・すなわち外→内のエネルギーが核融合活動をうながし、また核融合活動によって生み出される爆発力・・・すなわち内→の外のエネルギーが圧力を押し返し、双方向のカウンターバランスは一定に保たれる。
ところが、天体の中心で、ついに超安定の元素である鉄の生成がはじまってしまった。
超安定とは、要するに核融合活動をしない（それっぽっちの温度と圧力じゃ極めて困難）ってことだ。
中心から外向きの抵抗力が失われると、天体は自重によって内向きにつぶれるしかない。
体積が信じ難いほど収縮する、重力崩壊がはじまった。
その勢いは劇的で、「爆縮」と称されるほどのスペクタクルだ。
星一個が、まさしく一瞬にしてくしゅくしゅに丸められるんだ。
天体内の空間という空間に原子核が押し詰まり、その超高密度が、核融合を超えた現象を引き起こす。
陽子（つまり原子核）と陽子が触れ合えば、核融合爆発をして両者は一体化し、新しい原子核を形成するはずだった。
ところが、この爆縮の過程では、天体外層部の電離層で待機してた電子たちまでがおしくらまんじゅうに加わる。
すると、どうなるか？
陽子に電子がくっつけば、「原子ができんじゃね？」と思うでしょ。
ところがこの劇的なステージでは、核子たちのあまりの超絶的密度に、両者はひとつに混じり合ってしまうんだ。
この「陽子の電子捕獲」により、電荷をチャラにするベータ崩壊が起き、陽子は中性子に姿を変える。※１
電荷が０の中性子は、お互いに反発し合うことなく（つまり核融合を起こすことなく）、隣り合わせることができる。
こうして太陽の８倍もの巨大さだった天体は、驚くばかりの小ささ（きみの住む街くらいのコンパクトさだ）に丸め込まれ、中性子の稠密な塊である超流体の姿になるんだ。

つづく

※１　前にも書いたが、中性子とは、電子をはらんだ陽子なんだった。

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世界のつくり／天体編・１４

１４・αプロセス、って

さて、水素→ヘリウムという核融合活動によって、熱と輝きを発しはじめたファーストスターだ。
天体中心部の超高密度の環境で、水素原子核はガンガンとぶつかり合い、どかんどかんと景気よく爆発し、天体にヘリウム原子核の芯をつくっていく。
が、いつか燃料は尽きるものだ。
いや、素材となる水素はふんだんにあるんだけど、密度が芯部に集中するほど、天体外縁部は希薄になり、中心への圧力が失われていくんだ。
現代の太陽サイズの天体だと、数十億年もたつ頃には燃料の枯渇がはじまり、ぼんやりとほどけて巨大化をはじめ、図体だけがやたらとでかいぼんぼりのような姿になってしまう。
芯部の高密度なヘリウム塊は独立して残されるものの、周囲が散り散りになって、天体の生涯はおしまいだ。
これがもっと大きな質量の天体・・・例えば太陽の８倍というチャンドラセカール限界を超えるほどのものになると、様相が違ってくる。
ヘリウムの芯ができたところで、さらに外からの圧力が掛かり、水素に代わってヘリウム原子核が核融合をはじめるんだ。
こうして炭素、酸素、ネオン、マグネシウム・・・と、要するに元素の周期表のいっこ飛ばしに（ヘリウムの陽子数が２なので）反応が進んでいく。※１
前に注釈で、ヘリウムは特別にアルファ粒子という名前を与えられてる、と書いたけど、アルファ先生が関わるこれらの核融合反応を「アルファ（α）プロセス」という。
そうしてついに、元素たちの最終目標である鉄を生成する核融合がはじまる。
天体の活動がここに至るまで、わずか数千万年。
天体は、質量が大きいほど、短命なんだ。
そして、その命の終わりは壮絶だ。
それが、最期に打ち上げる花火とも言うべき、超新星爆発だ。

つづく

※１　炭素だけは、ヘリウム原子核三個がトリプル合体して生成される。ヘリウムからいっこ飛ばしのベリリウムは不安定で、ヘリウムふたつがぶつかって生成された瞬後に崩壊するが、崩壊寸前にもうひとつのヘリウムがぶつかることで×３＝原子番号６の炭素が生成される。

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世界のつくり／天体編・１３

１３・核分裂と核融合、って

各元素の原子核には、陽子と中性子が何個かずつ入るわけだけど、その個数は、常に安定を目指していちばん居心地のいい割り合いを求める。
放射性の崩壊（半減期ってやつ）で、ほっといても勝手に別の元素に姿を変えちゃうメカニズムもあるけど、熱や圧力でストレスを加えてやることで、元素の生成はコントロールできる。※１
水素原子核（陽子１個）同士をぶっつけ合わせて少し大きめのヘリウムをつくったり、ヘリウム原子核（陽子２個）同士をぶっつけ合わせて炭素や酸素をつくったりと、小→大をつくるのが核融合だ。
こうして雪だるま式に融合を進めると、元素の中で最も安定した鉄（陽子２６個）に行き着く。
それ以上の陽子を持つ元素は、超新星爆発などのとてつもないエネルギーイベントが必要となるが、それはまた後述する。
さて、鉄よりも大きな原子番号を持つ（陽子が多い）元素は、逆に核分裂をして陽子を減らそうとする。
いちばんシンプルな原子力発電（原子爆弾も）は、ウランを分裂させて、その際に生じる熱エネルギーを頂戴しようというもの。
ウランの原子核には、陽子が９２個と中性子が１４０個ばかり入ってて、このままならそこそこ安定してんだけど、こいつに中性子いっこを撃ち込んで不安定な状況をつくり出し、分裂させる。
核爆発をともなう分裂の結果、また中性子いっこが余るわけだが、こいつがまたお隣のウラン原子核に働きかけ、分裂をうながし、そこから出た中性子いっこがまたまたお隣に・・・と際限なく連鎖していく核反応が、臨界状態だ。
ちなみに、核分裂は放射能の放出でひどい汚染をともなうが、核融合は汚染物質を出さない。
なので、未来のエネルギー源として期待される核融合発電は、クリーンな技術と言っていい。
一方で、核融合爆弾である水素爆弾（スイバク）は、それを包むゲンバクの爆発力からストレスを与えられて起爆するため、結局は放射能をまき散らすことになる。
もちろん、こんなものは使っちゃダメだ。

つづく

※１　とは言え、実際にはコントロールしきれてない。オリンピックを自国で開きたいばかりに「福島のデブリはアンダー・コントロール」なんてうそをついたバカがいるけど、どうかしてるよなあ。デブリはほぼ永遠に熱を発しつづけるため、一度しでかしたら、人類がつきっきりになって数万年規模で面倒を見てやるほかはない。

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