天文検定問題 その9

大問1

銀河の話について、少し補足をしていこう。

銀河のほとんどは、天の川銀河から遠ざかっているように見えている。
銀河が遠ざかる速度\(v\)(これを後退速度という)は、銀河との距離\(r\)に比例する。これを(A)・ルメートルの法則と呼ぶ。

\[
v = Hr
\]

この比例定数\(H\)を(A)定数と呼ぶ。元々は単に(A)の法則と呼ばれていたが、宇宙論研究者ルメートルの功績も大きいと再評価されてこの名前になった。(A)はセファイド型変光星(詳しくは別の記事で解説する)の光度を測定する事で、宇宙が膨張しているこの法則を発見した。

宇宙は初めビッグバンと呼ばれる大爆発によって誕生したとされていた。宇宙空間にはブラックホールなどの超重量物質があるため、普通に考えると末端の速度は減少し、やがてビッグバンが起きた中心に向かって収縮すると考えられる。しかし、実際にはそうなっておらず、今現在も宇宙空間は膨張している。これは未知のエネルギー(B)によるものだと考えられている。

銀河系の回転速度を増加させている謎の物質ダークマター、そして宇宙膨張を引き起こしている謎の物質(B)に対して、クォークから構成されている物質を(C)と呼ぶ。(C)は我々が知っている物質として考えてよい。

宇宙の内容物の割合を調べると、(B)が68％、ダークマターが27%となり、95%以上を占めている。従って、(C)は宇宙全体で5%程度となり、我々は宇宙の事を全く知らないともいえる。

現在は宇宙の大規模構造の観測プロジェクト(D)が行われ、銀河の分布が分かっている。図中の色が塗られている点が銀河を示している。銀河はひも状に繋がっており、これをフィラメントと呼ぶ。また、銀河は宇宙全体に均一に存在せず、斑に存在している。この黒い部分をボイドと呼ぶ。(D)の中心に位置するのが(E)銀河である。(D)は円周までが約20億光年である。
(D)を見ると、左右の部分だけ黒く塗られている_①のには理由がある。

こういった銀河分布の観測や、遠方の恒星を調べる方法として、ドップラー効果を応用している。天体が観測点から遠ざかる際、天体の発する波長が赤色の方に伸びて観測されるため、天文学では特に(F)と呼ばれている。

このように宇宙全体の構造がわかってきたのも、段階的にである。元々は天の川銀河が宇宙全体と思われていたが、アンドロメダ銀河の存在が分かった事で天の川銀河が宇宙全体ではないと分かるようになってきた。

問1. 空欄(A)～(F)に入る言葉を答えよ。
問2. 下線部①について、黒く塗られている理由はなぜか？その理由を答えよ。
問3. 銀河の名称で使用されるナンバリングはメシエ番号やNGC番号であるが、恒星のナンバリングで用いられる番号を答えよ。

大問1 答え

答えはこちら

問1. A. ハッブル, B. ダークエネルギー, C. バリオン, D. スローン・デジタル・サーベイ, E. 天の川 (銀河), F. 赤方偏移 (せきほうへんい)
問2. 天の川銀河内の星間物質が邪魔で観測できないから
問3. HD (ヘンリー・ドレーパー・カタログ)

大問2

現在、多くの国がロケットを宇宙空間に打ち上げており、盛んに宇宙開発が行われている。ここではロケットの歴史・種類についてみていこう。

現在、宇宙開発で最も一般的なロケットは化学系推進剤を利用したロケットエンジンによって推進力を得る(A)である。化学推進剤の種類によって、(B)と(C)に分け枯れる。いずれも、エンジンノズルのから高速のガスを噴射し、その反作用の力で推力(ロケットを進行方向へ推し進める力)を得ている。

(B)と(C)の違いを以下に記載する。

	(B)	(C)
製造コスト	安い	高い
長期保存	出来る	出来ない
構造	シンプル →量産化出来る	複雑 →量産化出来ない
推力	小推力から超大推力まで自由	小推力や超大推力に向かない
途中停止	出来る	出来ない
燃焼時間	短い	長い
推力制御	困難	容易
大型化	困難	容易

(C)の代表例としてはH-ⅡAがある。

推力\(F\)は、「ロケットから時間単位に噴射される燃焼ガスの質量\(M_{g} \ [kg/s]\)」と、「燃焼ガスの噴出速度\(v_{g} \ [m/s]\)」の積に比例する。

\[
F ≔ M_{g} × v_{g} \ [N]
\]

ロケットの推進剤の性能を表す値を(D)と呼び、\(lsp\)と表記する(単位は[s])。
\(lsp\)は、推力\(N\)÷(1秒間に消費される推進剤の質量 \(M\) [kg/s]×重力加速度 \(g \ [m/s^{2}] \) )である。(D)があるのは能動エンジンを持つ場合だけである。後述する太陽帆エンジンなど、受動エンジンには(D)は存在しない。

\[
lsp ≔ \frac{F}{M × g} \ [s]
\]

また、\(\frac{F}{M}\)を燃焼ガスの噴射速度と呼ぶ。
そして、推進剤の噴出速度を\(w_{e}\)、ロケットの初期質量を\(m_{0}\)、T秒後の質量を\(m_{T}\)とすると、ロケットの速度増分\({\Delta}V\)は以下の式になる。

\[
{\Delta}T = w \ ln \left( \frac{m_{0}}{m_{T}} \right) ・・・①
\]

この方程式を(E)の公式と呼び、ロケット工学で用いる基礎方程式となっている。

(E)は、(C)や多段式ロケット、宇宙ステーションの概念を初めて考案した人物でもある。そして、世界で初めて(C)の打ち上げ実験に成功した人物は、ロケットの父と称される(F)である。この時使用した燃料は、液体O₂とガソリンを組み合わたものとなっている。そして、本格的な(C)の発射に成功したのは(G)である。V2ロケットを開発している。

(B)や(C)は燃焼反応を基にエネルギーを得ている事から、化学ロケットと呼ばれる。次世代のロケットとして、化学反応を使わない方法を用いた非化学ロケットが考案されている。推力は化学エネルギーに比べて大きくないが、制御用や宇宙空間を長時間移動するエンジンとしては優れている。
非化学ロケットの例を幾つかみていこう。

• (H)ロケット
  「はやぶさ」が該当するロケット
  化学ロケットのような大推力は得られないが、燃費に優れている
  推進剤を(H)化して電場などで加速する事で推力を得ている
• プラズマロケット
  推進剤ガスをプラズマ化し、電磁気的に加速して噴射する
  推力は小さいが、長時間の連続運転が可能
• (I)
  光子の反射によって生じる反作用を利用している
  光の粒子が太陽帆を形成する薄膜に当たり反射すると、薄膜には入社方向と逆向きの力が発生する
  JAXAが打ち上げた小型(I)実証機「IKAROS (イカロス)」に搭載された
• 固体炉心ロケット
  原子炉の熱で推進剤を加熱し、高温ガスにして噴射する事で推力を得ている

これらは既存のロケットであるが、未来のロケットとして以下のものが考案されている。

• (J)ロケット
  物質と反物質を反転させ、光に変えてそれを噴射して推力を得る
  ドイツの科学者オイゲン・ゼンガーによって考案された
  SF小説等でよく見かける
• ラムロケット
  宇宙空間になるわずかな水素原子を集め、加速して噴出する事で推力を得る
  水素原子を集めるために、直径数kmにも及ぶ巨大な集積装置(これをラムスクープと呼ぶ)が必要
• レーザーロケット
  レーザー基地からロケットにレーザーを照射し、そのエネルギーで進む
  燃料が不要なのが特徴
  宇宙エレベーターの駆動装置として注目を集めている

日本人として覚えておくべきロケットは、「日本の宇宙開発・ロケットの父」と称される糸川英夫が20世紀に開発した(J)ロケットである。また、推進方法の違いによって、ロケットを区分する事も出来る。

• 電気推進法
  (H)やプラズマロケットのように、推進剤を(I)やプラズマ状態にして噴出する事で、推力を得ている
• 原子力推進
  固体炉心ロケットのように、原子炉の熱で推進剤を加熱し、高温ガスにして噴射する事で推力を得ている
• 太陽帆推進
  (I)のように、大きな帆によって太陽光を受けることで、推力を得ている
• 核融合推進法
  水素等の核融合物質を噴射する事で、推力を得ている
• レーザー推進法
  レーザーロケットのように、ロケットにレーザーを照射し、それを受けて推進する
• (K)推進法
  物質と反物質を反応させ、光に変えてそれを噴射して推進する

問1. 空欄(A)～(D)に入る言葉を答えよ。
問2. 式①を導出せよ。
問3. 空欄(E)～(K)に入る言葉を答えよ。

大問2 答え

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問1. A. 化学ロケット, B. 固体ロケット, C. 液体ロケット, D. 比推力
問2. 導出過程は次ページに記載
問3. E. ツィオルコフスキー (の公式), F. ロバート・ゴダート, G. ウェルナー(ヴェルナー)・フォン・ブラウン, H. イオン I. ソーラーセイル, J. ペンシル (ロケット), K. 光子

大問3

日本でも宇宙に関する記述は古くから存在し、その歴史は古い。
有名な歴史書の中でも宇宙の現象に関する記述が多く残されている。

• 『明月記』
  (A)の日記。現在は冷泉家が保持している。
  M1の超新星爆発に関する記述が書かれているが、(A)は自分の目で見て書いたのではない。天文博士 (当時の陰陽寮に設置された教官の事。詳しくは後述。)が記した記録を基に、日記に書き込んだだけである。M1の超新星爆発があったのは1054年であり、(A)が活躍したのは1162年～1241年と100年以上も離れている。
• 『源平盛衰記 (げんぺいじょうすいき)』
  作者不明。平家物語の異本 (伝承が伝わる過程で順序や組み立てが異なった本)とされている軍記物語。
  33巻の水島の戦い(1183年)の中に金環日食に関する記述が書かれている。
• 『日本紀略』
  作者不明。平安時代に編纂された歴史書。
  皆既日食に関する記述が書かれている。
• 『史記』
  
  ハレ―彗星に関する記述が書かれている。

普段見られない星を客星 (かくぼし)と呼ぶが、アマチュア天文家の(B)が『明月記』の客星を欧米の天文家に紹介したところ、オールトらによってこの各星が1054年におきたM1が超新星爆発の残骸であることが明らかになった。

『明月記』の記述の中で陰陽寮という記述をした。陰陽寮とは、日本の律令制時代における1機関であり、占い・天文・暦の編纂などを担当した部署である。役職としては以下のものがあった。

• (C)博士
  占星術を行う
  毎日定時に天体観測を行い、異常があれば記録を行っていた
  また、異常時に内裏 (だいり:古典世界における平安京の天皇の住まい)に報告する事も行っていた。これを(D)と呼ぶ
• (E)博士
  下記図の(E)という道具を用いて、時刻の測定・管理を行っていた

• 陰陽博士
  陰陽道の養成を行っていた
• 暦博士
  暦の編纂を行っていた

(C)博士の中で、もっとも有名な人は(F)であろう。平安時代、陰陽寮(C)博士を務め、土御門家の祖とされている。平安時代の(F)の家は当時の御所の裏側にあったとされているが、現在は京都の一条にその屋敷がある。(F)のライバルとされているのが芦屋堂満である。

(E)のように、昔の人は独自の道具を使って天文の研究を行っていた。これを幾つか紹介する。

• (G)
  日本や中国で使われた天体観測のための道具

• (H)
  太陽の南中高度を計るための道具。影の長さから南中高度を求めていた
  改暦に必要な春分、夏至、秋分、冬至を決めるために使用された

• (I)
  天体の高度を測定する器具。昔の航海で使用されており、緯度を図るために使われた
  現在の88星座の1つにもなっている

• (J)
  航海用の精密時計。船の揺れや温度変化に影響されない
  経度を図るために使われた
  (I)と組み合わせる事で、地球上の現在地点が分かるようになっている

• (K)
  現存する日本最古のゼンマイ式打ち付き時計
  スペイン国王から徳川家康に贈られる

問1. 空欄(A)～(K)に入る言葉を答えよ。
問2. 現在の時の記念日は何日か？

大問3 答え

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問1. A. 藤原定家, B. 射場保昭 (いばやすあき), C. 天文博士, D. 天文密奏(てんもんみっそう), E. 漏刻 (ろうこく), F. 安倍晴明, G. 渾天儀 (こんてんぎ), H. 圭表 (けいひょう), I. 六分儀, J. クロノメーター, K. 洋時計
問2. 6月10日
　 　日本で初めて時刻の知らせが行われた671年6月10日に由来する。
　 　この時に使用した道具が漏刻である。天智天皇が実施した。

大問4

宇宙人はいるのだろうか？
宇宙のスケールは広大すぎるため、別の生命が誕生していてもおかしくはない。物理学者エンリコ・(A)は地球外文明の存在の可能性は高いにも関わらず、そのような文明の接触の証拠が皆無である事の矛盾を指摘した。これを(A)のパラドックスと呼ぶ。

また、科学者(B)は我々と接触可能な宇宙人がいる可能性を方程式で表した。天の川銀河にあり、我々と交信可能な地球外生命体の数を推定する式を(B)の方程式と呼ぶ。(B)の方程式を書き下すと、

\[
N =R^{*} × f_{p} × N_{e} × f_{l} × f_{i} × f_{c} × L
\]

となる。各項目はそれぞれ

• \(R^{*}\) : 星の生成率
• \(f_{p}\) : 惑星の存在確率
• \(N_{e}\) : 岩石惑星の確立
• \(f_{l}\) : 生命が発生する確率
• \(f_{i}\) : 知的生命体までに進化する確率
• \(f_{c}\) : 他の星へ通信を送れるまで進化する確率
• \(L\) : 知的生命体による技術文明が通信をする状態にある期間

となっている。\(R_{*}～N_{e}\)を天文学的要因、\(f_{l}～f_{c}\)を生物学的要因、\(L\)を社会学的要因という。

宇宙人との交信を試みる取り組みは1960年から頻繁に行われている。地球外知的生命体の宇宙文明を発見するプロジェクトの総称を(C)と呼ぶ。

1960年、(B)はアメリカ国立電波天文台にて、直径26mの電波望遠鏡を用いて世界で初めて宇宙人からの受信を試みた計画を実行した。これを(D)と呼び、「(E)座の\(τ\)星」と「(F)座の\(ε\)星」に対して電波望遠鏡が向けられた。

1972年～1973年、パイオニア(①)号と(②)号に人類からのメッセージを絵で表した金属板を取り付け、宇宙に向けて打ち上げた。パイオニアはNASAが作成した、火星より外側の天体を目指す惑星探査機シリーズである。

1974年、プエルトリコの(F)天文台にて、地球から宇宙に向けて地球人の存在を伝えるための電波メッセージを送信した。これを(F)メッセージと呼び、(G)座の球状星団M13に向けて送信された。

太陽系の外にある惑星を系外惑星と呼ぶが、NASAによる系外惑星を探査する計画を(H)と呼ぶ。1977年、(H)1号と(H)2号が遠い宇宙人に向けたメッセージとして金属板(I)を載せて打ち上げられた。

金属板(I)には、地球の音や画像が保存されている。裏面には金属板の使い方と太陽系の位置の情報等が描かれている。

2010年、(D)から50周年を記念してドロシー計画が発表された。

太陽系外に位置する惑星を系外惑星と呼ぶ。系外惑星の探査では、系外惑星を直接見つけるのではなく「間接的な」手法が取られている。主に次の2つの方法がある。

• (J)法
  別名「視線速度法」
  「地球は太陽の周りを回っている」とよく言われているが、正確には「太陽と地球はそれぞれの”共通重心”の周りを回っている」のである。つまり、太陽系外から見ると太陽を見ると、太陽も動いているように見える。これを太陽系外の惑星に応用した方法
  質量の大きい系外惑星ほど恒星のふらつきが大きくなるので、発見しやすい
• (K)法
  別名「食減光法」
  系外惑星が恒星の前面を通る際にわずかに暗くなる減光を観測して検出する方法
  日食と同じ原理を使用
  2009年にケプラー宇宙望遠鏡を打ち上げて以降、(K)法による系外惑星の発見数は爆発的に増えた
• 直接撮像法
  コロナグラフと呼ばれる装置を用いて、太陽系外の恒星に対して人口定期に皆既日食を起こし、中心の恒星の光を隠して系外惑星を直接見つける方法

系外惑星の命名法は、親星の名前の後ろに発見順に小文字のb,c,d,…と付けていく。(“a”は親星の名前に使用される)
例えば、1995年にマイヨールとケロ―の功績によって、地球から50光年離れた位置に世界で初めて系外惑星(L)が見つかっている。系外惑星(L)は(J)法を用いて発見された。(L)は木星の半分程度の質量を持ったガス惑星で、軌道半径は0.05AUと太陽ー水星間よりも狭い公転軌道である。しかも、公転周期はたったの4日である。

他にも、はくちょう座の方向に約600光年離れた位置にあり、ケプラー宇宙望遠鏡による(K)法によって発見された地球型の系外惑星(M)がある。(M)は世界で初めて(N)内を公転する惑星として、生命がいると可能性があると予想されている系外惑星である。

バイオマーカーには、植生の吸収率におけるレッドエッジだけでなく、液体の水もある。地球が生命に溢れた惑星となり得たのは、太陽からの距離がちょうど良く、水が液体で存在する事が出来たからである。太陽よりも近すぎれば水が蒸発してしまい、遠すぎると木星のように氷でしか存在できなくなってしまう。

このように、恒星の近くで水が液体として存在できる領域を(N)と呼ぶ。

系外惑星には、他にも色々な分類がある。
木星程度の質量を持つガス惑星でありながら、表面温度が非常に高温になっている系外惑星を(O)という。
地球の数倍程度の質量を持ち、かつ主成分が岩石や金属などの岩石惑星を(P)と呼ぶ。

問1. 空欄(A)～(F)に入る言葉を答えよ。
問2. 空欄(①), (②)に入る数字を答えよ。
問3. 空欄(G)～(P)に入る言葉を答えよ。

大問4 答え

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問1. A. フェルミのパラドックス, B. ドレイク (の方程式), C. SETI, D. オズマ計画, E. くじら (座), F. エリダヌス (座)
　 　SETIはSearch for Extra Terrestrial Intelligenceの略
問2. ①10, ②11 (順不同)
問3. F. アレシボ (メッセージ), G. ヘルクレス (座), H. ボイジャー, I. ゴールデンレコード, J. ドップラー (法), K. トランジット (法), L. ペガスス座51番星b, M. ケプラー22b, N. ハビタブルゾーン, P. スーパーアース
(L ペガスス座51番星aという恒星の近くにペガスス座51番星bという惑星が見つかってたのである)