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［太陽と地球の誕生-1］宇宙と銀河の誕生

138億年前に誕生した“宇宙”、それは最初10^-34センチメートルという極小の世界でした。それが、誕生後10^-36秒から10^-34秒後の間に、10¹⁰⁰倍の大きさに一気に膨張する。これが“宇宙のインフレーション”です。インフレーションを起こした宇宙は、直後に“ビッグバン”を起こし、その直後の宇宙は100兆から1000兆K(絶対温度：1K(ケルビン)＝-273℃)という高温状態で、物質は素粒子の形でしか存在できません。宇宙誕生から1万分の1秒後になると、温度は1兆Kまで下がり、素粒子は互いに結びついて陽子や中性子になりました。

宇宙誕生から3分後、温度が10億Kほどになると、陽子と中性子が結びついて原子核が生まれます。この原子核が電子を捕まえて原子が生まれるのは、宇宙誕生後38万年ほど経過し、宇宙の温度が3000Kまで下がったころです。電子が原子核と結びついたことで、光子は電子に邪魔されず直進できるようになる。これにより宇宙に光が満ちあふれますが、これを“宇宙の晴れ上がり”と呼んでいます。

そして、宇宙誕生からおよそ4～10億年が経過したころ、“星や銀河”が形成されるようになり、ようやく私たちのよく知る宇宙の姿が現れました。

宇宙誕生直後のインフレーションとビッグバン

［太陽と地球の誕生-2］恒星の誕生

太陽や地球は、宇宙誕生後92億年経った今から約46億年前に“天の川銀河(銀河系)”で誕生しました。宇宙には1000億以上の“銀河”があり、それら銀河ひとつひとつをつくりあげている1000億以上の“恒星”があり、さらに私たちが住む地球は太陽というひとつの恒星のファミリーの一員になります。

太陽は、銀河系に1000億以上存在する恒星の一つにすぎませんから、太陽の誕生を理解するためには、一般に恒星がどのように誕生するのかという過程を知ることが早道です。

現在では、恒星の周りには惑星が形成されることが一般的であることも、種々の観測の結果明らかになってきました。すなわち、地球や太陽系の誕生を理解するためには、惑星系がどのように誕生することを知ることも役に立ちます。そこで、まず太陽がどのように誕生したのかについて筒単に見ていきましょう。

＜水素原子で満たされた星間雲＞

恒星が誕生する場は、“星間雲”と呼ばれる水素原子を主体とした、周囲よりも高密度の星間ガス、ちりなどが集中した部分です。

星間雲は、自ら輝くことはありませんが、近くの恒星の光を受けて、輝いて見えることがあります。こうした星間雲を“散光星雲”と呼び、代表的なものにはオリオン大星雲があります。また、背後に恒星などの光源があり、星間雲のシルエットが浮かび上がってみえるものを“暗黒星雲”と呼びます。有名なものにオリオン座の馬頭星雲や竜骨座のイータカリーナ星雲があります。

＜原始星の誕生と核融合の輝き＞

こうした星間雲がやがて回転をはじめ、内部で分子がつくられるようになると、主成分が水素分子の“分子雲”となります。この分子雲の中でも、とくに密度の高くなった部分を“分子雲コア”といいます。典型的な分子雲の大きさは直径が約100光年、質量は太陽の約10万倍､温度は25K(-258℃)。その密度は1立方センチメートルの中に水素分子が10万～100万個ほどです。この密度は、地球大気の物質密度の1兆分の1以下なのですが、宇宙空間ではかなり高密度ということになります。

こうした分子雲はふつう安定していますが、星の最後の爆発などが起きると、密度が急に高くなる領域が生まれます。しだいにその領域は自分自身の重さによって収縮をはじめ、密度がどんどん上がり、ガスの圧縮によって中心部の温度を上げてゆきます。

やがて分子雲の中で、中心部が輝きはじめると、“原始星”の誕生となりますが、このときの光は“重力”によるもので、放っている光は赤外線です。そして、重力収縮によって原始星中心部の熱が1000万K以上になると、“核融合”がはじまります。2個の水素(H)原子核が1個のヘリウム(He)原子核に変わることで膨大なエネルギーが生みだされます。この核融合がはじまったときから、可視光で観測可能な天体となるのです。このように、皆様が見ている夜空の星(恒星)の輝きは、核融合エネルギーが放出した光によるものなのです。

＜恒星の一生＞

原始星の内部で核融合がはじまると、その恒星は“主系列星”と呼ばれます｡逆に言うと、水素による核融合が続いている間は、主系列星と呼ばれているのです。

恒星の状態や大きさ、温度は、重力収縮により収縮しようとする力と、核融合などで生まれる外へ広がろうとする力、この2つの力の攻防によって決まるとも言えます。

さらに、恒星の一生とその終焉の仕方も、その恒星の大きさ(質量)によって異なってきます。通常、恒星の大きさを表すのに太陽の質量の何倍かという数値を用います。

(1)太陽質量の0.08倍未満の恒星

太陽質量の0.08倍以下の星は、“褐色矮星(わいせい)”と呼ばれる星になります。この星では核融合がはじまるほど中心部の温度が高くならないため、主に重力収縮のエネルギーだけで赤外線を発し、長い時間をかけて冷えてゆくことになります。

(2)太陽質量の0.08～0.46倍の恒星

生まれた後に中心部の温度が上昇し数千万Kになると、核融合反応が始まります。水素がヘリウムに変換されるにつれ、中心部にヘリウムが溜っていき、やがて水素の外層は膨張して“赤色巨星”となります。 上の質量の範囲では，ヘリウムに火が付く(～108K)前に 水素が燃え尽きてしまい、核融合反応はそれ以上進みません。水素の外層がなくなると、ほとんどヘリウムでできた“白色矮星－ヘリウム白色矮星”が残ります。ただし質量の小さい星の寿命は現在の宇宙年齢より長いので、このようなヘリウム白色矮星はまだ存在していません。

(3)太陽質量の0.46～4倍の恒星

外層の水素が燃え尽きる前に中心部のヘリウムが核融合反応を起こし(～108K)、今度はヘリウムが新たな燃料となって炭素Ｃや酸素Ｏの灰を作るという次の段階が始まります。この質量範囲では炭素や酸素は核融合反応を起こしません。ヘリウム燃焼殻が出きた段階で(水素燃焼殻のときのように)、ふたたび赤色巨星化します。これはわれわれの太陽の運命でもあり、およそ50億年後には太陽も赤色巨星になります。この赤色巨星段階で外層大気をゆっくりと放出して“惑星状星雲”を形成します。 一方，炭素と酸素が大部分のコアは核融合をしない、低い光度の“白色矮星”になります。

(4)太陽質量の4～8倍の恒星

中心の温度が8×10⁸Kほどに上昇すると炭素と酸素の灰が核融合反応を起こします。このときC+Oコアの質量は，1.4太陽質量程度です。水素やヘリウムの核融合反応ではコアの中心で火が付くと、コアが膨張して温度が下がりますが、C+Oの場合はそれらの反応と異なりコアの質量や密度が大きいため、C+Oコアの中心で火がついてもコアは膨張しません。そのためコアの温度はどんどん上昇し、核融合反応の暴走が起きます。そしてコアの炭素や酸素は，わずか0.1秒程度で一気に燃え尽きてしまいます。またコアの温度は10¹⁰Kぐらいまで上昇し、コアは火の玉となります。その結果、星全体を吹き飛ばす“超新星爆発”が起こります。ただし、後には何も残りません。

(5)太陽質量の8倍以上の恒星

さらに質量が大きい場合も、最終的にやはり超新星爆発を起こして星は吹き飛びます。ただし、星全体が吹き飛んでしまうのではなく、その中心核は“中性子星”や“ブラックホール”になると考えられています。

太陽比質量の違いによる恒星の一生

［太陽と地球の誕生-3］太陽系の誕生

＜原始太陽の誕生＞

45億6700万年前、ガス雲の収縮が起こっている宇宙の領域(銀河系)の一画で太陽系が形成されました。この領域は直径7千天文単位(1天文単位(au)≒1.5億km：太陽から地球までの距離)から2万天文単位で、質量は太陽よりわずかに大きい程度でした。組成は現在の太陽とほぼ同じで、収縮したガス雲の質量の98%はビッグバンから1億年以内に合成された水素やヘリウムに痕跡程度のリチウムでした。残りの2%は第一世代の恒星の中で合成された重元素です。それらの恒星は寿命が尽きると、重元素を星間物質として放出しました。

角運動量保存の法則により、星雲は収縮時より速く自転します。星雲内の物質の密度が高まると、原子が頻繁に衝突し、運動エネルギーが熱に変換されます。最も密度が高くなる中心は、周囲の円盤と比べかなり温度が高くなります。10万年程度経つと、重力、ガス圧、磁場、回転等の拮抗した力により、直径200天文単位以下の“原始惑星系円盤”が形成され、その中心に温度と密度が高い原始星が形成されました。これが“原始太陽”の誕生です。

この時から5000万年以内には太陽の中心の温度と圧力は十分高くなって水素の融合が始まり、静水圧平衡に達するまで重力による収縮が続きました。これは、太陽が主系列星と呼ばれる段階に入ったことを意味します。前項でもお話をしましたように、主系列星とは、内部で水素の核融合によりヘリウムを生成することでエネルギーを生産している恒星のことですから、太陽は今日でも主系列星の一つです。

＜惑星の誕生＞

◇微惑星の形成

様々な惑星は、太陽の形成後に残ったガスや宇宙塵の円盤から形成されたと考えられています。今日最も広く受け入れられている仮説は、“降着円盤モデル”として知られているものです。このモデルでは、まず宇宙塵が太陽の周囲の軌道を回り始め、次々に衝突して1kmから10km程度の“微惑星”という塊を作ります。その後数百万年間は衝突により、1年あたり数cm程度の速さで成長します。

原始惑星系円盤と微惑星の形成

◇固体(岩石質)惑星の形成

太陽から4天文単位以内の内部太陽系では、水やメタン等の揮発性の分子が凝縮するには温度が高すぎるため、金属(鉄、ニッケル、アルミニウムなど)やケイ酸塩などの融点の高い物質が微惑星を形成し、さらに “固体(岩石質)惑星(地球型惑星：水星、金星、地球、火星)”が形成されてゆきました。これらの物質は宇宙では珍しく、星雲中には0.6%程度しか存在しないため、地球型惑星はそれほど大きく成長できませんでした。岩石質の“原始惑星(惑星の胚)”は地球質量の5～10%程度まで成長し、その後は衝突合体を繰り返してさらに大きくなり、固体惑星になってゆきましたが、太陽形成後10万年程度で集積が止まりました。

地球型固体(岩石質)惑星の形成

◇巨大ガス惑星の形成

“巨大ガス惑星(木星型惑星：木星、土星、天王星、海王星)”は、火星軌道と木星軌道の間の揮発性物質が凝結して固体になる凍結線よりも外側で形成されました。木星型惑星の材料となる“氷微惑星”は地球型惑星を形成する鉄やケイ酸塩の微惑星よりも豊富にあり、宇宙に最も多量に存在する水素やヘリウムを捕獲するのに十分な質量(重力)を持つようになりました。凍結線より外側の原始天体は、300万年の間に地球質量の約4倍になったのです。今日では、4つの木星型惑星の質量を合計すると、太陽の周りを回る天体の全質量の99%にもなります。木星は1000年程度で地球質量の150倍まで成長し、最終的には地球質量の318倍にもなりました。土星は、木星より数百万年後になって形成されたため、周囲に利用できるガスが少なく、木星ほど大きくはなりませんでした。

木星型巨大ガス惑星の形成

◇氷の惑星の形成と太陽系の完成

若い太陽の様なタイプの星は、安定した古い星に比べて、強い恒星風が吹きます。天王星と海王星は、木星と土星ができた後、太陽風が強く吹き始めて、ガスや宇宙塵の多くが散逸してから形成されたと考えられています。結果として、これらの惑星が獲得できた水素やヘリウムは1地球質量に満たない程度となりました。天王星や海王星はしばしば明確な核を持たないとも言われ、“氷の惑星(天王星型惑星)”と呼ばれています。なお、冥王星や近年発見された小惑星は惑星型に分類されません。

太陽系の完成

＜天の川銀河の中の太陽系＞

太陽系とともに、宇宙の概念で有名なのが銀河なので、我々が住んでいる天の川銀河(銀河系)の中の太陽系の位置を確認してみましょう。

天の川銀河の直径は約10万光年で、kmに直すと、約100京kmにもなります。太陽系の半系を1.575光年(15兆k)）とすると、直径は約30兆km に過ぎません。したがって、直径比較でおおよそ3万分の1ですから、通常の画像では天の川銀河の中でもほとんど見分けがつきません。

太陽系は、銀河核を中心に約3万光年の軌道を単独で回っています。その速度はおよそ秒速220kmであり、一周に要する期間、銀河年はおよそ2億2000万年から2億5000万年です。その形成以来、太陽系は銀河系(天の川銀河)を少なくとも20周したことになります。

天の川銀河と太陽系の位置・大きさ(直径比較で約30,000:1)

［太陽と地球の誕生-4］地球と月の誕生

＜原始地球の誕生＞

前項で、固体(岩石質)惑星の形成での中で、微惑星の集合から地球質量の5～10%程度の原始惑星まで成長し、その後は衝突合体を繰り返してさらに大きくなり、固体惑星(水星、金星、地球、火星)になったお話をしましたが、地球についてはもう少し詳しく調べてみましょう。

太陽系の誕生からおよそ700万年後の45億6000万年前、地球は火星サイズ(地球質量の約1/10)の原始惑星が10回程巨大衝突した後に形成されたものと考えられています。とりわけ、最後の巨大衝突は、月の誕生に関係する破局的なものでした。ほぼ現在のサイズの地球に火星が衝突したことを想像してみれば分かるのではないかと思います。巨大衝突によって、原始地球は数千～数万Kに加熱され、大規模な蒸発と溶融が生じたと考えられます。

蒸発した岩石は、数千Kの岩石蒸気の大気となって地球を取り巻きます。地球は表面から深部まで溶融し、“マグマオーシャン”と呼ばれる状態になりました。岩石と金属鉄(金属状態の鉄のこと。鉄は岩石にも含まれるので、それと区別するためにあえてこう呼ばれています)が混ざっていても、岩石が大規模に溶融することで、岩石と金属鉄はすみやかに分離して、密度の重い金属鉄は中心部に集まり、“地球のコア”を形成しました。

＜月の誕生＞

月は地球のただ1つの衛星ですが、他の惑星の衛星に比べるとかなり変わっています。惑星である地球との質量比が大きいのです。月の質量は地球の約100分の1ですが、これほど惑星の質量に対して大きな質量をもつ衛星は他にはありません。唯一の例外は、準惑星である冥王星とその衛星カロンですが、これはどちらかといえば、二重天体に近いと考えられています。なぜ、地球のような小さな惑星が、月という大きな衛星をもつことができたのかは、大きな謎なのです。

月がどのようにして誕生したのかについては、様々な説が唱えられてきました。大きく分けると次の4つにまとめられます。

◇親子説：

地球の誕生直後、地球の自転は現在よりも高速だったので、遠心力によって原始地球の一部がちぎれて月がつくられたという説です。

◇兄弟説：

原始惑星系円盤中で、塵(ちり)が集まって地球とともに月がつくられたという説です。

◇他人説：

地球の近くを通過した小天体が、地球の重力によって捕らえられて月となったという説です。

◇ジャイアントインパクト説

誕生して間もない原始地球に45億5000万年前に火星サイズの小天体が衝突し、そのときに破壊された小天体の残骸と、衝突によってえぐりとられた地球の表層物質が再度集まって固まり、月がつくられたという説です。

この説は、現在の月の特徴を比較的うまく説明することができます。NASAのアポロ計画で持ち帰った月の岩石試料により、その化学組成が地球のマントル部分と似ている、平均密度が地球に比べ低い、などの月の特徴が判明しました。前述した「親子説」「兄弟説」「他人説」ではこれらを矛盾なく説明することができません。

ジャイアントインパクト説ではこれらの特徴の多くを説明することができ、月がどのように誕生したのかを説明するものとしては、最も有力だと考えられています。最近ではコンピューターの発達により、このようなモデルをシミュレーションで再現することができるようになり、実際に月のような衛星が作られることや、地球の自転軸の傾きなどを説明できるようになってきています。最新のシミュレーションでは、衝突が起こってからわずか1ヶ月程度で月ができあがったのではないかといわれています。

ジャイアントインパクトから月の誕生まで

新しいテーマ「地球科学と生命の誕生・進化」の初回の今月は、“太陽と地球の誕生”を中心にお話をさせていただきました。過去のNeoMag通信のテーマ「おもしろい宇宙の科学」の内容と一部類似している項目もあったと思いますが、今後のテーマ展開の上で重要な地球史の始まりを、再度勉強しておく必要があるということで取り上げてみました。

次回は誕生直後の地球と地球システムの構築などについてお話をさせていただく予定です。