大問1
太陽のような恒星は将来どうなるのだろうか？永遠に燃え続けるのだろうか？そもそも、太陽はどうやって燃えているのだろうか？
物体が燃えるほど宇宙空間にO2は十分存在しないため、太陽は燃焼によって燃えているのではない。(A)によって、膨大な熱を生成しているのである。(A)とは、原子量の小さい元素から大きい元素を生成しながらエネルギーを放出する反応である。太陽では、HからHeが出来る(イ)という核融合反応と、(ロ)と呼ばれる2種類の核融合反応が起こっている。e-は電子、νはニュートリノ、γはガンマ線光子、Eはエネルギーを表す
1Hは(B)と言い、記号D (Deuteriumの頭文字から)と表す事もある。2Hは(C)と言い、記号T (Tritiumの頭文字から)と表す事もある。
- (イ)
1H + 1H → 2H + e- + ν + E・・・①
2H + 1H → 3He + γ + E・・・②
3He + 3He → 4He + 21H + E・・・③ - (ロ)
12C + 1H → 13N + γ + E・・・④
13N → 13C + e+ + ν + E・・・⑤
13C + 1H → 14N + γ + E・・・⑥
14N + 1H → 15C + γ + E・・・⑦
15C → 15N + e+ + ν + E・・・⑧
15N + 1H → 12C + 4He + E・・・⑨
太陽エネルギーの99%は(イ)がになっているが、質量が大きくなるにつれてエネルギー生成への(ロ)の起因が多くなる。(ロ)では、反応過程の元素は原子核反応の触媒として働いている。
以前の問題では、恒星は進化の過程で『星間雲→原始星→前主系列星→赤色巨星』と移り変わっていくと書いた。しかし、これは正確には正しく無い。
恒星の将来はその質量によって分岐する。恒星の質量は、一般的に太陽質量を基準として何倍かで書き表す。その際、☉という記号を用いる。これは太陽と黒点を表す象形文字である。例えば、太陽質量の2倍は2☉と書き表す。
星間雲は密度の高い部分が、ガスの自己重力によって収縮し、周りのガスを重力でかき集める。すると、ガスの重力エネルギーが熱エネルギーによって、星は赤外線領域で非常に明るく輝く原子星へと変化する。そのかき集められたガスの一部は、回転運動をしているため、原始星に落下せず、原始星の周囲を回る原始惑星系円盤を形成する。
原子星系円盤は、自転軸方向に高速で流れ出す(D)や自転軸と垂直な方向に低速で流れ出す(E)を形成する。原子星の段階では、まだ星の周りに濃いガスがあるため、星の光を可視光で見る事は出来ず、赤外線や電波でしか観測できない。ガスは次第に収縮を続けていくが、濃いガスは(E)などによって徐々に宇宙空間に飛び去っていき、可視光で見る事が出来るようになる。この状態を前主系列星という。
収縮が続くにつれ、星の中心温度が高くなり、温度も上昇する。中心温度が1400万Kを超えたあたりで中心部でHがHeに変わる核融合反応が発生する。すると、星の収縮は止まって、この核融合反応のエネルギーで星は安定的に輝き始める。これが主系列星の誕生である。
しかし、主系列星になるためには0.08☉以上の質量が必要であり、それ以下だと中心温度が核融合反応に達する温度になる前にガスの圧力で収縮が止まってしまい、(F)となる。
主系列星で輝いている間、恒星の中心部ではHからHeが作られ、Heが中心部に溜まっていく。このHeの塊を(G)と呼ぶ。(G)は次第に大きくなっていくが、(G)の中では核融合反応は起こらず、外側のHで核融合反応が起きている。質量が0.46☉以下の主系列星は(G)がゆっくりと収縮を始める。すると、全体のバランスを保つために外層が大きく膨張し、その結果、表面温度が下がって星の色は赤くなっていく。しかし、半径は大きくなるので、星の光度は明るくなる。これが赤色巨星と呼ばれる状態である。
主系列星としての寿命は数百憶年、赤色巨星へ移動していく期間は数千万年とスケールが違うので、主系列星と赤色巨星の意間に位置する星の数は少ない。また、質量が0.46☉以下の主系列星は、やがて中心部の(G)を包み込むHの外層が宇宙空間に霧散し、最後はHeを主成分とする(H)として星の一生を終える。
(H)の外層が霧散するまで500億年以上かかるといわれており、宇宙の年齢の138億年にくらべてはるかに長い期間のため、この状態で一生を終えた星は実在しない。
赤色巨星に進化した後、星は必ず死を迎える。8☉以下の主系列星は、(G)の内部でHeからCやOを合成する核融合反応が始まり、C+Oのコアが成長していく。Heの核融合反応が始まると、星の表面温度は再び上昇する。その間に膨張して巨大になった星の外層は静かに星から離れていき、(I)と呼ばれるガス状の星雲が形成される。例えば、1光年ほどの大きさを持つ(J) (通称:M57)は(I)の一種である。
また、中心部のC+Oのコアはそのまま(H)となり、(I)の中心星として残る。
(I)の内部では核融合反応が起こらないため、新しいエネルギーを生み出すことが出来ずに星は死を迎える。太陽も後50億年後には主系列星を離れて赤色巨星へと進化した後、(I)となる。
では、8☉以上の星はどのような死を迎えるのだろうか？
星の中心部では、より重い元素が生成されていく。CやOからNeやMgを、NeやMgからSiを、SiからFeを合成する核融合反応が次々と起こっていく。これによって、星の内部は玉ねぎの階層構造のように、元素の違うたくさんの球殻が形成されていく。この間に赤色巨星は半径を更に増して、赤色超巨星と呼ばれる状態へ移行していく。また、中心部では電子が陽子に吸収されて中性子のコアが作られる。
中性子は電気的反発力が無いため、中性子コアは重力によって急激に収縮し、半径10km程度の大きさの(K)となる。その結果、ガスを外部へ霧散しようとする外向きの力より、中性子コアの重力である内向きの力が上回ると、外層の部分も星の中心に向かって急激に落下し、崩壊する現象が起こる。これを(L)と呼ぶ。
しかし、落下した外層のガスは中性子の表面で止められてしまい、その反動で(M)と呼ばれる大爆発を起こす。
(M)によって吹き飛ばされた外層のガスは、一時的に(O)として宇宙空間に残るが、再び星間ガスの一部となる。例えば、(P) (通称:M1)は(O)の一種である。(O)が輝く主なエネルギーは、(M)によって放出されたガスと周囲のガスの衝突によるものである。
(M)が起きた後、40☉以下の場合は(K)が残る。
40☉以上の場合は赤色超巨星まで成長した後、青色超巨星になって(M)が起きた後、ブラックホールが形成される。
これらをまとめると以下のようになる。
- 〜0.08☉
星間雲→原子星→(F)
核融合反応には、1400万Kが必要とされているため、十分な質量が無いと核融合反応が起きない - 0.08☉〜0.46☉
星間雲→原子星→主系列星→(H)
十分に成長するまで核融合反応が起きない。つまり、(H)ではHとHeしか存在しない - 0.46☉〜8☉
星間雲→原子星→主系列星→赤色巨星→(H)+惑星状星雲
赤色巨星になると、星の内部でCやOになる核融合反応が起きている - 8☉〜40☉
星間雲→原子星→主系列星→赤色超巨星→(M)→(K)+(O) - 40☉〜
星間雲→原子星→主系列星→赤色超巨星→青色超巨星→[M]→ブラックホール+(O)
<ここにコアの構造を入れること>
問1. 空欄(A)～(C)に入る言葉を答えよ。
問2. 空欄(イ), (ロ)に入る反応名を答えよ。
問3. 核融合反応(イ)において、①～③の反応をまとめた式を答えよ。
問4. 空欄(D)～(M)に入る言葉を答えよ。
大問1 答え
答えはこちら
問1. A. 核融合反応, B. 重水素, C. 三重水素
問2. イ. p-pチェイン, ロ. CNOサイクル
問3. 41H → 4He + 2e- + 2ν + 2γ + E(5EはまとめてEと書ける)
問4. D. 原始星ジェット, E. アウトフロー, F. 褐色矮星, G. ヘリウムコア, H. 白色矮星, I. 惑星状星雲, J. こと座の惑星状星雲, K. 中性子星, L. 重力崩壊, M. 超新星爆発/Ⅱ型超新星爆発/重力崩壊型超新星爆発
大問2
銀河の中心には一体何があるだろうか？
銀河の中心において、巨大なブラックホールを持っていたり、星が活発に生成されている場合、中心部の非常に狭い領域から強い電磁波を放射している。また、銀河の中心部が異様に明るいことも特徴である。このような銀河の中心部領域を(A) (略称:AGN)と言い、AGNを持つ銀河を(B)と呼ぶ。なので、(A)を持たない銀河の場合、中心はそこまで明るく輝いていない事が知られている。
また、(A)からは光速に近い速度のプラズマ粒子である(C)が出ている。
天の川銀河も中心に(D)と呼ばれる巨大ブラックホールを持っている。(D)は、過去にEHT (イベント・ホライズン・テレスコープ)によって観測された。(B)の質量は400万☉とその規模は計り知れない。
(B)は、更にいくつかの種類に分類できる。
- クェーサー
太陽の500兆倍と桁違いに明るい①
AGNに超巨大質量ブラックホールを持つと考えられている
比較的地球から遠方にあり、宇宙が誕生した初期に発生したとされている - 電波銀河
強い電波を放つ銀河 - セイファート銀河
弱い電波を放つ渦巻銀河または不規則銀河
比較的地球から近傍にある
以前の記事で、銀河は銀河群に所属し、銀河群は銀河団に所属し、銀河団は超銀河団に所属し、超銀河団は宇宙の大規模構造に所属すると書いた。
天の川銀河は(E)銀河群に所属しており、(E)は(F)超銀河団に所属し、(F)超銀河団は(G)超銀河団に所属し、(G)超銀河団は宇宙の大規模構造に所属している。(F)超銀河団と(G)超銀河団は両方とも超銀河団であり、誤植ではないことに注意いただきたい。
太陽系は天の川銀河の中心から2.6光年ほど離れており、天の川銀河の周りを220km/sの速度で回転している。これは、約(②)億万年で天の川銀河を1周するくらいの速度である。
銀河の回転曲線を調べると、銀河の中心から遠くなっても回転速度は変わらない。これは普通に考えたらおかしい話である。円運動では、半径が大きくなるにつれて角速度が普通小さくなる。つまり、普通であれば銀河の中心から離れるほど円運動の半径が大きくなるので、銀河の回転速度も小さくなるはずである。
この現象を説明するために考え出された仮設上の物質を(H) (旧名:ミッシングマス)と呼ぶ。銀河系は、(H)によって中心部から離れていても回転速度が変わらないとされている。(H)は、恐らく銀河のハロー部分に存在するだろうと予想されている。(I)は宇宙全体の約27%を占めており、ある種の素粒子ではないかと考えられている。
(H)の正体を調べるための実験が世界各地で行われており、日本では(I)検出器やXENON測定器などの装置を使って調べられている。
電磁波では観測できないものの、上記の通り重力が働く事で、星や銀河の分布に影響を与えている。
宇宙では、星同士の衝突は起こりにくいとされている。星の大きさに比べ、宇宙のスケールが大きすぎるからである。それよりも、銀河同士の衝突は頻繁に起きている。天の川銀河も、現在進行形でいくつかの矮小銀河 (恒星の数が比較的少ない銀河)と衝突・合体中である。約40億年後には一番近いM31(アンドロメダ銀河)と合体し、(J)銀河になることが知られている。
問1. 空欄(A)～(D)に入る言葉を答えよ。
問2. 下線部①について、クェーサーが発光する原理を答えよ。
問3. 空欄(E)～(G)に入る言葉を答えよ。
問4. 空欄(②)に入る数字を有効数字2桁で答えよ。
問5. 空欄(H)～(J)に入る言葉を答えよ。
大問2 答え
答えはこちら
問1. A. 活動銀河核, B. 活動銀河, C. 宇宙ジェット, D. いて座A* (エースター)
問2. 超新星爆発によって周囲にまき散らされた星間ガスは、中心にあるBWの自転と万有引力によってBWの衛星のように円運動をしだす。(外部から観測すると円盤状に見えるため、降着円盤と呼ばれる)
すると、ガス同士の摩擦熱が非常に高温になり、やがてまばゆい光を放つようになる。
問3. E. 局部/局所 (銀河群), F. おとめ座 (超銀河団), G. ラニアケア (超銀河団)
なお、地球(局部銀河群)から一番近い銀河団はおとめ座銀河団である。
問4. 2.3 (億万年)
問5. H. ダークマター, I. XMASS (検出器), J. ミルコメダ (銀河)
XMASS検出器の公式サイトはこちら
大問3
球体になれる程質量を持たず、恒星や衛星の周りを公転する天体を小惑星と呼んだ。
太陽系には小惑星が多く存在する帯状のエリアが火星-木星間に存在する。このエリアを(A)と呼ぶ。(A)の天体を全てかき集めたとしても、月よりも小さい事が分かっている。
小惑星の中には、よく似た軌道要素を持つグループがあり、これを(B)と呼ぶ。
1801年、ジュゼッペ・ピアッツィが世界で初めて(C)を発見した事を皮切りに、現在では60万個ほどの小惑星が確認されている。
例えば、エジプト神話に登場する不死鳥から命名された(D)は地球に衝突する可能性のある小惑星として知られている。2018年に探査機オシリス・レックスが(D)からのサンプルリターンに成功している。
小惑星は発見されると仮符号が与えられ、その中から小惑星番号が割り当てられ、更にその中からIAUが固有名を割り当てている。
仮符号の割り当て方は、『MMMM X YYY』となっている。
- MMMM
発見された西暦 (4桁) - X
半月期
Iを除いて、1月前半を”A”, 2月前半を”B”,…, 12月後半を”Y”と定義する。
前半とは1日～15日まで、後半とは16日～月末までと定義する - YYY
発見順
Iを除いて、A1, B1, … , Z1, A2, B2, …と命名
例えば、2014年6月26日に発見された小惑星(E)には、2014MU69という小惑星番号が割り当てられている。ちなみに、(E)は2006年にNASAが打ち上げて人類が初めて冥王星を探査した無人探査機(F)が、冥王星の次に目指した小惑星である。(E)は先住民の言葉で「空」という意味がある。
小惑星の固有名にはいくつかユーモアに富んだものがある。いくつか例を以下に示す
| 小惑星番号 | 固有名 |
| 1 | ケレス |
| 3141 | (①) |
| 3590 | ホルスト |
| 4321 | (②) |
| 6980 | 坂本九 「上を向いて歩こう」の作詞:永六輔、坂本九、作曲の中村八大から。 |
| 7919 | プライム (1000個目の素数) |
| 11111 | (③) |
| 13579 | オール・オッド (全部奇数) |
| 24680 | オール・イーブン (全部偶数) |
| 30857 | パーセク (1pc = 3.0857 × 1016m) |
| 31152 | 大震災 (3/11が数字に含まれているので) |
| 46610 | Bésixdouze (ベ・シス・ドゥーズ) 『星の王子様』登場する星「B612」のラテン語読み。16進数で表したもの。 |
| 101955 | (D) |
天体力学において、2つの天体系からみて第3の天体が安定して滞在する事が出来る5つの座標点の事を(G)と呼ぶ。木星軌道の(A)のうち、木星の進行方向前方の(G)に位置する小惑星たちを(H)、進行方向後方の(G)に位置する小惑星たちを(I)と呼ぶ。また、木星軌道内側にはヒルダ群と呼ばれる小惑星群を見る事も出来る。
白、緑、オレンジの点全てが小惑星
他の有名な小惑星として、日本の探査機『はやぶさ』がサンプルリターンを行った小惑星イトカワや、その後継機『はやぶさ2』がサンプルリターンを行った小惑星リュウグウがある。
- イトカワ
イトカワを調査した事で、次の3つの事が分かった
1. 地球に落ちてくる隕石の多くは小惑星から飛来している
2. イトカワは小天体同士の衝突で出来た破片の1部同士が集まって、合体して出来た
3. イトカワは、直径20 km程の大きさを持つ天体を起源としている - リュウグウ
主成分は含水層状ケイ酸塩
含まれていた氷が太陽熱で消化したため、隙間の多い構造になっている
コンドライトとよく似た化学的特徴を持っている
小惑星と言っても、中には非常に大きい小惑星も存在する。例として小惑星パラスと小惑星ベスタは直径が500 km程の大きさであり、だいたい北海道と同じ大きさである。
また、小惑星の中にも土星や準惑星ハウメアと同様に環を持っているものも存在する。代表例が小惑星カリクロである。
問1. 空欄(A)〜(F)に入る言葉を答えよ。
問2. 空欄(①)～(③)には、数学にちなんだ名前が入る。それぞれ答えよ。
問3. 空欄(G)～(I)に入る言葉を答えよ。
問4. 以下の語句を、太陽から近い位置にある順に並び替えよ。
[a. ヘリオポーズ, b. エッジワースカイパーベルト, c. アステロイドベルト, d. オールトの雲]
大問3 答え
答えはこちら
問1. A. アステロイドベルト, B. 族 (ぞく), C. ケレス, D. ベンヌ, E. アロコス, F. ニューホライズンズ
問2. ①キロパイ (3.141×1000), ②ゼロ (4→3→2→1→0), ③レピュニット (レピュニット数)
問3. G. ラグランジュポイント (ラグランジュ点), H. ギリシャ群, I. トロヤ群
問4. c. アステロイドベルト → b. エッジワースカイパーベルト → a. ヘリオポーズ → d. オールトの雲
大問4
古代の宇宙観は、宗教や神話に強く結びついている。
古代エジプトでは、兄弟でもあり夫婦でもある天空の神「①」と大地の神「②」の間を、大気の神「③」が引きはがして天と地を分けたと考えられていた。
古代中国では、(A)という宇宙開闢の創造神が存在する。混沌の中から(A)という巨人が生まれ、天を高く地を広く押し広げて世界が広がったという世界観を持っている。
現在、世界各地で使われている暦は(B)暦である。1年を365日とし、4年に1度閏日を挿入するものである。これは、季節と日付のずれがあった(C)暦を改良して作られた。
(C)暦において、紀元前4713年1月1日正午からの通算日数を小数点以下も含めて表記する日数を(D)と呼ぶ。
太陽の日周運動を基準にした太陽暦は、農業をする上で便利で、世界最古の太陽暦は古代エジプトで使われていた(E)暦である。
他にも、古代マヤ文明では(F)暦という18ヶ月5日を1年とみなす独特な暦が使われていた。他にも、金星を基にした金星暦も使っていた事が知られている。
この他にも暦は我々の生活と密接にかかわっており、例えば(G)は潮の干満と密接に関係しているので、漁労者にはわかりやすい暦である。
日本では、明示6年に(B)暦が導入された。これはちょうど学校令や徴兵制度が始まり、西洋化が進み始めたころである。それより前は太陰太陽暦を使っていた。よく耳にする旧暦とは、一般的には太陰太陽暦の事を指す。
問1. 空欄「①」～「③」には神の名前が入る。以下選択肢のうち、正しい物を選べ。
a. ①シュー、②ヌート、③ゲフ
b. ①シュー、②ゲフ、③ヌート
c. ①ヌート、②シュー、③ゲフ
d. ①ヌート、②ゲフ、③シュー
e. ①ゲフ、②シュー、③ヌート
f. ①ゲフ、②ヌート、③シュー
問2. 空欄(A)～(G)に入る言葉を答えよ。
問3. 以下の西暦のうち、閏年を答えよ。
[a. 1500年, b. 2000年, c. 2500年, d. 3000年]
大問4 答え
答えはこちら
問1. d. ①ヌート、②ゲフ、③シュー
問2. A. 盤古 (ばんこ), B. グレゴリオ (暦), C. ユリウス (暦), D. ユリウス日/ユリウス通日, E. シリウス (暦), F. ハアブ (暦), G. 太陰暦
グレゴリオ暦はローマ教皇グレゴリオ13世によって施行された
問3. b. 2000年
閏年の判別方法は以下の通り
1. 400で割り切れる年は閏年
2. 上記1以外の年のうち、100で割り切れる年は平年
3. 上記1,2以外の年のうち、4で割り切れる年は閏年
4. 上記1～3のいずれにも該当しない年は平年
従って、400で割れる2000年は閏年であり、それ以外は100で割り切れるが4で割り切れないので平年である。
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