１.６ 宇宙への旅

ここでは、天文学者が理解している現在の宇宙を簡単に紹介し、本文中で出てくる天体の種類や距離について知っておきましょう。

まず、地球から始めましょう。地球は、直径約13,000kmのほぼ球形の惑星です（図1.6）。この惑星系に入ってきた宇宙旅行者は、地球の地殻の約3分の2を液体の水が覆っていることで、他の太陽系の惑星と区別することができるでしょう。さらに、もしその旅行者がラジオやテレビの信号を受信する装置を持っていたり、夜の街の明かりを見るために十分な距離まで近づけば、この水の惑星に感覚のある生命が存在することをすぐに発見できるでしょう。

私たちに最も近い天文学上のご近所さんは、地球の衛星、通称月Moonです。図1.7は、地球と月を同じ図に縮尺して描いたものです。正しい縮尺でページに収めるためには、これらの天体をいかに小さくするかが重要です。月の地球からの距離は、地球の直径の約30倍の約38万4,000kmで、月が地球の周りを回るのには約1ヶ月かかります。また、月の直径は3476kmで、地球の約4分の1の大きさです。

光（または電波）は、地球と月の間を1.3秒かけて移動します。アポロの月面飛行の映像をご覧になったことがある方は、管制官が質問をしてから宇宙飛行士が答えるまでに、約3秒の遅れがあったことをご存じかもしれません。これは、宇宙飛行士がゆっくり考えていたからではなく、電波が往復するのに約3秒かかっていたからです。

地球は恒星である太陽の周りを回っています。太陽は約1億5千万km離れており、地球から月までの約400倍の距離があります。地球と太陽の平均距離を天文単位astronomical unit（AU）と呼んでいますが、これは天文学の黎明期に最も重要な測定基準であったことに由来します。光が1天文単位を移動するのにかかる時間は8分強なので、私たちが受け取る太陽からの最新情報は常に8分前のものということになります。太陽の直径は約150万kmで、地球は太陽の表面で起こる小さな噴火の中にすっぽり入ることができてしまいます。太陽をバスケットボールの大きさにすると、地球はボールから30mほど離れた小さなリンゴの種に相当します。

私たちの距離で地球が太陽を一周するには1年（3×10⁷秒）かかり、一周するためには時速約11万㎞で移動しなければなりません。真空の宇宙空間では地球の動きに抵抗がなく、重力によって私たちは地球にしっかりと固定されているため、私たちは日々意識することなく、この非常に速い動きの旅に参加しているのです。

地球は、太陽の周りを回っている8つの惑星のうちの1つであり、これらの惑星と、その衛星や、準惑星などの小天体の群れが、太陽系を構成しています（図1.8）。惑星planetとは、恒星の周りを回る大きさの天体であり、自ら光を発しないものと定義されています。(大きな天体が常に光を発している場合は恒星star（星）と呼ばれます）。) この本の後半では、この定義は少し変更されますが、皆さんがこれから航海を始めるにあたっては、今の定義で全く問題ありません。

私たちが空にある身近な惑星を見ることができるのは、身近な恒星である太陽の光を反射しているからです。もし惑星がもっと遠くにあれば、その惑星はわずかな光を反射するだけで、私たちには見えないはずです。これまでに発見された他の恒星の周りを回る惑星は、その重力が親星を引っ張ったり、親星の前を通過するときにその光を遮ったりしたことで発見されました。こうした惑星のほとんどは直接見ることができませんが、いくつかの惑星は直接撮影されています。

私たちの身近な恒星である太陽はもちろん、他の恒星も巨大な光るガスの塊であり、その奥で核反応により膨大なエネルギーを生み出しています。恒星の輝きのメカニズムについては、後ほど詳しく説明します。他の恒星がかすかに見えるのは、非常に遠くにあるからです。先ほどのバスケットボールの例で言えば、太陽から最も近い4.3光年の距離にあるケンタウルス座のプロキシマ・ケンタウリProxima Centauriは、バスケットボールから約7000kmの距離にあります。

晴れた夜に満天の星空を見上げると肉眼で見えるすべての星は、天の川銀河Milky Way Galaxy（銀河系Galaxy）と呼ばれる、星の一群です。太陽は、銀河系を構成する数千億個の恒星のうちの1つですが、その広さは、後ほど説明するように、人間の想像を絶するものです。太陽を中心とした半径10光年の球体の中には、およそ10個の星があります。半径100光年の球の中には、名づけ切れないほどの数（約1万（10⁴）個）の星がありますが、これはまだ天の川銀河のほんの一部を見たに過ぎません。1000光年の球の中には約1,000万（10⁷）個の星があります。そして、10万光年の球の中には天の川銀河のすべてが含まれています。

私たちの銀河系は、巨大な円盤の真ん中に小さな球があるような形をしています。私たちの銀河系の外に出て、天の川銀河の円盤を上から見下ろすと、おそらく図1.9のような銀河になるでしょう。渦巻き状の構造が、青春時代の熱い星の青い光で輪郭を描いています。

太陽は銀河系の中心から3万光年弱の距離にあり、何の変哲もない場所にあります。天の川銀河の内側にいる私たちは、少なくとも通常の光では天の川銀河の遠くの縁まで見通すことはできません。それは、星々の間の空間が完全に空っぽではないからです。そこには、星間ダストinterstellar dustと呼ばれる微小な固体粒子が混在したガス（主に最も単純な元素である水素）がまばらに分布しています。これらのガスやダストは、銀河系のあちこちで巨大な雲となって集まり、将来の星の原料となります。図1.10は、私たちの視点から見た銀河系の円盤のイメージです。

通常、星間物質は非常に希薄で、星と星の間の空間は、地上の実験室で作ることができるものよりもはるかに優れた真空状態になっています。それでも、何千光年にもわたって蓄積された宇宙の塵は、より遠くの星の光を遮ってしまいます。ロサンゼルスのスモッグの日に遠くのビルが見えなくなるように、天の川のより遠くの地域は、「星間スモッグ」の層に隠れて見えなくなってしまうのです。幸いなことに、天文学者たちは、星やその原材料がさまざまな形の光で輝き、そのうちのいくつかがこのスモッグを透過することを発見したため、私たちは銀河系のかなり良い地図を作成することができました。

しかし、最近の観測では、意外な事実も明らかになってきました。銀河系には、目（あるいは望遠鏡）で見ている以上のものがあるようなのです。様々な調査の結果、我々の銀河系の多くは、現在我々の機器では直接観測できない物質で構成されていることが分かってきました。そのため、私たちはこの銀河の構成要素をダークマターdark matter（暗黒物質）と呼んでいます。ダークマターが存在することは、その重力が星に及ぼす影響や、観測できる原材料からわかっていますが、ダークマターが何でできていて、どれくらい存在するのかは謎のままです。さらに、このダークマターは我々の銀河系だけではなく、他の星の集団にも重要な役割を果たしているようです。

ところで、すべての恒星が太陽のように単独で生きているわけではありません。多くの恒星は、2つ、3つ、あるいはそれ以上の数の星がお互いの周りを公転している連星系や三重星系の中で生まれます。このように近い恒星系では恒星同士が影響し合うため、単一の恒星の観測ではわからない特性を複数の恒星で測定することができるのです。いくつかの場所では、十分な数の恒星が集まって形成されており、それらは星団star clusterとして認識されています（図1.11）。天文学者がカタログに掲載している最大の星団の中には、数十万個の恒星を含み、数百光年の空間を占めるものもあります。

恒星は「永遠」として語られることがありますが、実際には永遠に続く恒星はありません。恒星の「ビジネス」はエネルギーを作ることであり、エネルギーを作るには何らかの燃料が必要であるため、最終的にはすべての恒星が燃料を使い果たしてしまいます。しかし、このことで慌てる必要はありません。私たちの太陽はまだ少なくとも50〜60億年は生きています。太陽もすべての恒星も最終的には死ぬのですが、その死の間際に、宇宙の最も興味深く重要なプロセスが明らかになります。例えば、私たちの体の中にある原子の多くは、かつて恒星の中にあったことが分かっています。これらの恒星は寿命が尽きると爆発し、その物質を銀河に戻します。つまり私たちは、文字通りリサイクルされた “星くず “でできているのです。