太陽系は「浮遊する雲」から生まれたのでしょうか？宇宙の誕生と進化に関する科学的真実

主流の天文学者と天体物理学者は、私たちの太陽系は巨大な星間分子雲と宇宙塵の凝縮によって形成されたという点で一致しています。この分子雲は原始的な宇宙星雲ではなく、超新星爆発後の残留ガス物質です。

では、宇宙の星間分子雲はどこから来るのでしょうか。そして、なぜ超新星爆発が起こるのでしょうか。この太陽系の形成理論は、科学者が何気なく言っているだけのものなのでしょうか、それともそれを裏付ける証拠はあるのでしょうか?科学的な真実とは何でしょうか?今日は、これらの問題を明らかにしましょう。

まず、標準的な宇宙論モデルによって説明される最も初期の宇宙について話しましょう。

科学界で広く受け入れられ認められている標準的な宇宙論モデルでは、宇宙は138億年前に誕生し、特異点のビッグバンから始まったとされています。ビッグバンの前には何も存在せず、爆発の後に初めて空間と時間が現れました。人間が研究できる宇宙は、プランク時間とプランクスケール、つまりビッグバンから 10^-43 秒後から始まります。当時、宇宙の規模はわずか 10^-35 メートル、温度は 10^32 度、密度は 1 立方センチメートルあたり 10^94 グラムでした。

当時の物質が何であったかは、その密度が陽子の密度の 10^78 倍も高く、現在人類が理解している物質の範囲を超えているため、これまで説明されていません。当時、今日の宇宙に存在する 4 つの基本的な力はまだ組み合わされていました。その後、宇宙は膨張と冷却を始め、まず重力が分離し、続いてクォーク、ボソン、レプトンなどの基本粒子が出現し、それに応じて強い相互作用も分離されました。

インフレーションはわずか 10^-33 秒しか続きませんでしたが、宇宙はすでに以前の 10^30 倍の大きさにまで膨張していました。つまり、インフレーションがプランクスケールの10^-35メートルから始まった場合、インフレーション後の宇宙は、赤血球よりわずかに大きい、約100分の1ミリメートル（10ミクロン）までしか膨張できないことになります。

インフレーション前の宇宙は 1 ミリメートルでしたが、インフレーション後は 10 億光年にまで膨張しました。問題は、インフレーション以前の宇宙の大きさをまだ誰も明確に説明していないため、私たちはその点にこだわらず、科学者に研究を続けさせることです。理論によれば、ビッグバンから0.01秒後に宇宙の温度は約1000億度まで下がったとされています。ビッグバンの1秒後、温度は100億度まで下がりました。

この時、光子、電子、ニュートリノ、陽子、中性子は出現しましたが、核力は陽子と中性子を結合させるほど強くないため、原子は形成されず、現在私たちが知っているようなさまざまな物質は存在しません。

ビッグバンから30万年後に、宇宙の温度は3,000度まで下がり、中性原子が形成され、最も単純な化学元素である水素とヘリウム、そしてごく少量のリチウムが生まれました。ビッグバン以前の量子真空もインフレーション期にピークに達し、ダークエネルギーの形で宇宙全体に浸透し、宇宙の加速膨張をますます促進しています。

このとき、暗黒物質と暗黒エネルギーのゲームが始まりました。暗黒物質は重力を利用して主に水素からなる分子雲を凝縮し、徐々に星や銀河を形成し、暗黒エネルギーは宇宙の膨張を促しました。観測研究により、現在までに最も古い銀河はビッグバンから3億2000万年後に形成されたのに対し、私たちの天の川銀河はビッグバンから38億年後に形成され、現在約100億歳であることがわかっています。

では、宇宙はどのようにして無から誕生し、単純なガスから星や銀河が生まれ、単純な水素とヘリウムの元素から今日知られている 118 種類の元素が作られ、さまざまな形の世界が形成されたのでしょうか。このプロセスは、エネルギー、物質、重力、核融合のサイクルからの連続的な変換であることがわかります。

宇宙は無から生まれたように見えますが、無は実際には無ではありません。

ビッグバン理論は宇宙の進化現象全体を完璧に説明しており、主流の科学界で認められている標準的な宇宙モデルとなっています。この理論によれば、宇宙は無限に小さく、無限に密度が高く、無限に熱く、無限に曲率のある特異点から始まったとされています。 138億年前のある日、突然爆発し、時空と現在の観測可能な宇宙が誕生しました。

では、宇宙の誕生前には何もなかったのに、特異点はどのように発生するのでしょうか?現代量子力学の真空零点エネルギー理論はこの問題を研究し説明しています。量子力学では、エネルギーはどこにでもあると信じられています。絶対真空であっても、真空零点エネルギーと呼ばれる巨大な背景エネルギーが存在します。

これらのエネルギーは仮想粒子の形で出現し続け、科学用語では量子ランダム変動と呼ばれます。正と負の仮想粒子がペアで出現し、互いに消滅し続け、エネルギー保存の法則に完全に従っているように見えます。もしこの保存則が常に完璧であったなら、宇宙は存在できなかったでしょう。研究によれば、パリティは保存されず、対称性は破れ、真空中の量子ゆらぎも破れることが示されています。つまり、個々の仮想粒子は消滅せずに残り、宇宙の爆発の特異点となるのです。

この記述が真実だとしても、仮想粒子によって形成された特異点がなぜこれほど大きなエネルギーを持つのか、と言う人もいるかもしれません。これは冗談ですか？他の皆さんと同じように、私もこの疑問を持っています。しかし、私たちは想像力に頼っているのに対し、科学者たちは数学的論理と実験を通じて複雑な科学的実証を行い、このエネルギーの実際の存在を確認しています。

ブラックホールという用語を初めて作った有名な物理学者 J. ウィーラーは、エネルギー密度が 1 立方センチメートルあたり 10^95 グラムに達する可能性があると推定しました。

このコンセプトは何ですか?ビッグバンが始まったプランク時代の密度は 10^94g/cm^3 で、これは真空のゼロ点エネルギーの密度のわずか 10 分の 1 でした。科学的な推定によれば、観測可能な宇宙の全質量は 10^54g (暗黒物質を含む) であり、これは真空のゼロ点エネルギー 1 立方センチメートルの密度の 10^41 分の 1、つまり 10 兆の 10 億の 10 億分の 1 に過ぎません。したがって、真空のゼロ点エネルギーの仮想粒子がビッグバンの特異点になったことは驚くべきことではありません。

真空のゼロ点エネルギーがなぜこれほど巨大な背景エネルギーを持つのかについては、量子物理学者が深く研究してきたテーマです。関係する議論の原理と公式は非常に奥深く複雑なので、この種の科学一般向けの記事で議論することは不可能です。レベルが高く、疑問を持っている友人は、ハイゼンベルク、アインシュタイン、ホイーラーなどの関連する科学的な原著を見つけて勉強することができます。

私がここで平易な言葉で広めている科学的議論にはすべて出典があり、科学界で広く受け入れられている常識だということをお伝えしたいのです。

アインシュタインが偉大だった理由の 1 つは、質量とエネルギーには明確な等価関係があり、それらは相互に変換でき、質量エネルギー方程式の有名な簡略化された式、E=MC^2 で表せることを発見したことです。これは、私たちの宇宙の起源を部分的に説明することもできます。宇宙は想像を絶する巨大な背景エネルギー爆発から始まり、そこから時間と空間が存在し、エネルギーと物質の変換プロセスに入り、最終的に現在の世界を形成しました。

重力は宇宙の動きと進化に重要な役割を果たします。

宇宙の初期に形成された水素分子雲があらゆる場所に漂っています。目に見える水素分子とヘリウム分子の間の相互重力を含む重力の作用と、さらに暗黒エネルギーの助けにより、徐々に集まっていきます。

雲がどんどん縮んでいくと、さまざまな距離と位置に作用する重力の不均衡により、雲全体が揺れ動き、回転します。角運動量保存則により、収縮が小さいほど回転は速くなります。分子雲は回転するピザのような円盤状に投げ出されますが、この「パンケーキ」の半径は 1,000 天文単位 (1500 億キロメートル) です。これが原始惑星系円盤です。

ディスクの中心にあるガスはより大きく、より高密度に吸着され、崩壊の傾向を形成します。中心核の温度はどんどん高くなり、圧力もどんどん大きくなります。ある臨界点に達すると水素の核融合反応が起こり、星が誕生します。

衝突中に惑星円盤内のガスと塵が互いに吸収され、微惑星が形成されます。重力の影響下で、微惑星は近くの軌道にある塵の破片を継続的に吸収して大きくなり、最終的には惑星になります。新しく生まれた星は、近くのガスや塵を吸収し続け、激しい恒星風を放射して、吸収されなかったガスや塵の破片を吹き飛ばします。

その後、中心に少なくとも 1 つの恒星があり、その周囲にいくつかの惑星がある恒星系が形成されます。この系には、恒星や惑星のほかに、大小さまざまな準惑星、惑星の衛星、無数の小惑星、彗星、塵などが含まれます。私たちの太陽系もこのようにして形成されました。

では、なぜ太陽系は超新星爆発によってのみ形成されたと断言できるのでしょうか?

この問題を説明する理由は少なくとも 2 つあります。まず、太陽の年齢はわずか 50 億年ですが、宇宙の年齢は 138 億年です。つまり、太陽は宇宙が88億歳になったときに形成され始めましたが、その時点では宇宙にはすでに原始星雲がほとんど存在していませんでした。第二に、太陽を構成する元素は水素とヘリウムだけではなく、重金属も含まれています。これらの重金属はわずか 1 ～ 2% しか占めていませんが、原始星雲には存在しません。

先に述べたように、宇宙の誕生後の構造は非常に単純でした。目に見える物質は水素とヘリウムだけで、リチウムはごくわずかでした。基本的にこれより重い要素はありませんでした。では、重元素は今どこから来ているのでしょうか?

研究により、宇宙におけるより重い元素の出現は核融合の結果であることがわかっています。核融合のプロセスは、より軽い元素をより重い元素に融合するプロセスです。この過程で、一部の物質が失われ、膨大なエネルギーに変換されます。星が恒星となる理由は、中心核の巨大な圧力と温度によって核融合反応が引き起こされるからであることがわかっています。最も初期の核融合は、4 つの水素元素が 1 つのヘリウム元素に融合することであり、その結果、宇宙にはヘリウム元素がますます多く存在するようになります。

しかし、核融合はヘリウムで終わるわけではありません。星の質量が大きいほど、中心核の温度と圧力が高くなり、核融合反応を起こすことができる重い元素が多くなります。

理論上は、各恒星の中心核にある水素がすべてヘリウムに変換されると、核融合は停止します。恒星の巨大な質量による重力収縮圧力に抵抗する巨大な放​​射圧がなければ、恒星の物質は中心核に向かって急速に崩壊し、より高い圧力と温度を形成します。太陽のような黄色矮星の場合、水素の核融合が終わった後、崩壊によって中心核の温度が1億度に達し、ヘリウムの核融合が起こり、炭素元素6まで核融合が続きます。

より大きな星は、その途中でより重い元素の核融合反応を起こします。具体的には、温度が2億度に達すると、炭素と酸素の核融合が起こり、その過程でネオン、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウムなどの元素が生成されます。温度が15億度に達すると、ネオンとマグネシウムが発火し、シリコン、硫黄、アルゴン、カルシウムなどの元素が生成されます。温度が20億度に達すると鉄56が得られます。

鉄はすべての元素の中で最も不活性で安定した元素であるため、最も大きな恒星でも核融合は最終的にここで終了します。つまり、鉄よりも重い元素は数十種類あるということです。それらはどこから来たのでしょうか?これは巨大な星の避けられない運命であり、超新星爆発の結果です。

科学的な観測と研究により、太陽の8倍以上の質量を持つ恒星では、中心核での核融合は鉄56までで終わることが分かっています。核融合が止まると、巨大な恒星の塊が中心核に向かって崩壊し、熱核暴走を引き起こし、反発圧力によって粉々に吹き飛ばされてしまいます。ビッグバンの間、圧力と温度は恐ろしいレベルに達し、100億度、さらには数千億度に達しました。瞬間的に太陽が一生の間に放射するエネルギーの総量を上回るエネルギーを噴出し、その明るさは太陽の5億～50億倍に達する可能性がある。

超新星爆発は、大質量星だけでなく、白色矮星や中性子星が臨界質量点を超えたときにも発生します。白色矮星の集積がチャンドラセカール限界（太陽の質量の1.44倍）を超え、中性子星の集積がオッペンハイマー限界（太陽の質量の2～3倍）を超えると、超新星爆発が発生します。

中性子星、白色矮星、ブラックホールの衝突によっても、激しいエネルギーの爆発が発生し、重元素が外部に放出される可能性があります。研究により、宇宙にある金などの重元素は主に中性子星の衝突によって放出された破片であることがわかっています。 2017年10月、世界中の多くの観測所が同時に、GW170817として知られる2つの中性子星の衝突と合体という大規模な重力波現象を観測しました。この衝突で、地球の質量の300倍の金が中性子星から宇宙空間に吹き飛ばされたと推定されています。

そのため、地球上の金は主に中性子星の衝突によって得られると考える科学者もいます。これらは宇宙空間を漂い、地球形成の初期段階で隕石群の形で地球に衝突しました。したがって、空からパイが落ちてくることはまったく不可能というわけではありません。

超新星爆発の極めて高温・高圧下で、鉄に続くさまざまな重元素が集まって誕生することができました。その結果、水素とヘリウムを除くすべての重元素が私たちの宇宙に出現しました。これらの比較的重い元素は宇宙全体の約1％を占めるに過ぎませんが、人類やさまざまな生物の出現を含め、世界全体を色鮮やかで多様なものにしています。

重金属は太陽系の1％以上を占めています。具体的な存在比は、水素原子とヘリウム原子が総数の約 99%、質量の 97% を占めています。つまり、他の重元素原子は総数の約 1%、または重元素の質量の約 3% を占めます。したがって、太陽系を形成した分子雲は、宇宙に元々あった分子雲ではなく、超新星爆発後に残った分子雲であるに違いありません。

重元素は太陽系全体の質量のわずか 3% を占めるだけだと考える人もいるかもしれません。主に重元素で構成された地球のような巨大な惑星はどのようにして形成されたのでしょうか?実際、地球は太陽系の中では非常に小さく、その質量は太陽系のわずか 0.0003% を占めるだけです。太陽系には、地球のような岩石惑星は地球、金星、火星、水星の 4 つしかありません。これら 4 つの地球型惑星の合計質量は、太陽系全体の質量の 0.0006% 未満です。

太陽系の他の4つの巨大惑星、すなわち木星、土星、天王星、海王星はすべてガス惑星であり、主に水素やヘリウムなどのガスで構成されているため、固体表面はありません。

太陽系の形成の初期段階では、太陽から放出された強力な恒星風が近くの物質を吹き飛ばしました。その結果、軽い物質はより遠くまで吹き飛ばされ、重い物質は吹き飛ばされにくくなりました。その結果、太陽に近い 4 つの惑星は主に重元素で構成され、地球に似た地球型惑星、岩石惑星、または内惑星 (地球の軌道内にある) とも呼ばれます。一方、太陽から遠い 4 つの惑星は主に軽い元素で構成されており、木星に似た木星型惑星、ガス惑星、または外惑星 (地球の軌道の外側) とも呼ばれます。

上記の理由から、科学者は太陽系が巨大な分子雲から形成され、元の「純粋な」ガスではなく、超新星爆発を経験した「汚れた」星雲の塵によって形成されたことを知っています。この推論は、宇宙の標準モデルの恒星進化理論と完全に一致しています。その形成過程は、他のすべての同様の恒星と同様に、宇宙の天体進化の法則に従います。

科学的なモデルは、太陽や他の星の寿命と宇宙の運命を示しています。

現在、科学的な観測により、数千個の中性子星、白色矮星、多数のブラックホールが発見され、中性子星の衝突による重力波が受信され、5500万光年離れたM87ブラックホールの写真が撮影されています。彼らはまた、ビッグバンの残光である宇宙マイクロ波背景放射を発見し、観測し、確認しました。また、アインシュタインリング、重力波、重力レンズなども観測・発見され、遠方の銀河の進化の証拠も発見されました。

科学者たちは、形成段階、主系列段階、後期進化老化段階、死の段階、死後の星の死体など、さまざまな段階にある数十億の星を追跡し、研究してきました。彼らは、赤色矮星、黄色矮星（太陽のような星）、青色矮星、赤色巨星、青色巨星、中性子星、白色矮星、ブラックホールなどを研究してきました。それは、人の誕生から老年までの人生を見て、人生のさまざまな段階での人の状態と寿命を知ることができるようなものです。科学者たちは、さまざまな段階にあるさまざまな種類の星を研究することで、さまざまな段階にある星の状態と寿命も明らかにしました。

科学者たちはさまざまな望遠鏡を使って、天の川銀河の星形成過程における多くの原始惑星系円盤の存在を発見しただけでなく、最近では銀河系外系における最初の原始惑星系円盤も発見しました。この原始惑星系円盤は、地球から 16 万光年離れた大マゼラン雲にあります。これはイギリスの天文学者らがハッブル望遠鏡とチリのアルマ望遠鏡を使って発見した。この成果はネイチャー誌に掲載されました。

恒星系内の原始惑星系円盤の進化プロセスには、数百万年から数千万年しかかかりません。観測により、最も古い惑星円盤の年齢は 2500 万年前であることが判明しました。ここで注目すべきは、結局のところ、すべての恒星系には 1 つの恒星しかないわけではないということです。実際の観測により、1 つの恒星を持つ恒星系は少数であり、大部分は連星、三重星、またはそれ以上の恒星を持つ恒星系であることがわかりました。

例えば、私たちに最も近いアルファケンタウリ星系は3つの星で構成されており、シリウスも青色矮星と白色矮星で構成された星系です。もちろん、単一の恒星で構成されたシステムは比較的安定しており、生命と文明の育成と発展に最も適しています。太陽系のような安定した恒星系で私たちが生き残れるのは、単なる幸運ではなく、必然であるように思われます。

これらの観測により、原始惑星系円盤は恒星系の形成において一般的な現象であり、太陽系も例外ではないことが確認されました。アインシュタインの一般相対性理論の予測と宇宙の標準モデルの推測は、ますます多くの証拠によって繰り返し確認されており、宇宙における星の形成が同じ法則に従っていることを示すのに十分です。

星の寿命は厳密には質量に反比例するという法則に従います。つまり、質量が大きいほど寿命は短くなり、質量が小さいほど寿命は長くなります。たとえば、現在知られている最大の恒星である R136a1 は、質量が太陽の約 215 倍で、寿命はわずか約 300 万年です。地球は現在170万歳だが、あと130万年で死滅するだろう。

研究によれば、太陽と同じ質量の黄色矮星の寿命は約100億年だそうだ。現在は、約50億歳で最盛期を迎えており、主系列星の中で最も安定した段階にあります。約50億年後、太陽は進化の後期段階に入り、非常に不安定になります。最終段階では赤色巨星となり、膨張します。その半径は現在のサイズの200倍を超えることになります。その高温のガスは水星と金星を蒸発させ、地球に広がります。

地球が飲み込まれるかどうかは問題ではありません。なぜなら、その時までに地球は乾いて崩れ、乾いて焦げたジャガイモのように、すべての生命が消えてしまうからです。

実際、太陽系のすべてのものは太陽と密接に関係しています。太陽が消えると、すべての惑星は蒸発しなくても、光とエネルギーを失い、さまよう死んだ星になります。太陽の赤色巨星膨張の最終段階では、外層のガスが徐々に宇宙空間に拡散し、最終的に中心核に炭素星、つまり白色矮星が残る。白色矮星は地球とほぼ同じ大きさだが、質量は現在の太陽の約50%、密度は1立方センチメートルあたり1トンを超える。

質量が太陽の 0.8 倍未満の星は赤色矮星と呼ばれ、これらの星の中で最も小さいものは太陽の質量の 0.08 倍未満です。 2014年、科学者たちは、地球から40光年離れた恒星J0523の質量が太陽のわずか0.077倍であることを発見した。これは恒星の最小臨界質量と考えられている。それより小さいと中心核の水素核融合反応を起こせず、恒星になることができません。

赤色矮星は中心圧力が低く、温度が低く、核融合が遅いため、寿命が最も長い星です。最も大きな赤色矮星の寿命は数百億年ですが、より小さなものは数千億年、あるいは数兆年まで生きることもあります。赤色矮星 J0523 の寿命はなんと 12 兆年です。このタイプの赤色矮星は実際には宇宙と共存し、消滅するでしょう。

赤色矮星の中心部での水素の核融合が終了すると、赤色矮星は消滅します。収縮圧力によってヘリウムの核融合反応が起こらなくなり、徐々に冷えていき、光も熱も発しない黒色矮星になる運命にある。宇宙の年齢はわずか138億年なので、これまでに死んだ赤色矮星はありません。

太陽の8倍以上の質量を持つ恒星の場合、中心核での核融合は炭素で終わらず、鉄まで融合し続け、熱核暴走が起こります。中心核の崩壊は大爆発につながり、最終的には中心核に中性子星が残る可能性があります。さらに質量の大きい星の場合、超新星爆発の後、中心核の圧力と温度が高くなり、ブラックホールに崩壊します。このタイプの星の質量は、一般的に太陽の 30 ～ 40 倍です。

ブラックホールは宇宙の頂点にある死体であり、すべての天体を飲み込んでいます。観測により、現在発見されている最大のブラックホールの質量は太陽の1040億倍であり、J073739.96+384413.2と番号が付けられていることが判明しています。全てのブラックホールは周囲の天体物質を吸収しており、ブラックホールに近づく天体物質は二度と戻ってこないため、宇宙の最終目的地はブラックホールであると考える人もいます。

もちろん、宇宙の運命についてはさまざまな理論があります。現在主流の理論は、暗黒物質と暗黒エネルギーの間の争いになる傾向があります。これらは宇宙の方向を制御する2つの宿敵です。暗黒エネルギーは宇宙の膨張を促進し、暗黒物質は重力を通じて銀河の集合と融合を引き起こします。宇宙が最終的に引き裂かれるか崩壊するかは、これら 2 つの力の間のゲームの結果によって決まります。

ハッブル望遠鏡の登場以来、人類の宇宙探査の視野は大きく広がりました。現在、ウェッブ望遠鏡によって人類の視野は数億光年広がり、私たちはすでにビッグバンからわずか4億年後の初期の宇宙を観測しています。観測と科学的推定によれば、観測可能な宇宙には数兆個、あるいはそれ以上の銀河が存在します。

私たちの太陽系がある天の川には、約 4000 億個の星があります。太陽はこれらの恒星の中ではごく普通の恒星で、小質量から中質量の黄色矮星であり、天の川銀河の恒星の総数の約 12% を占めています。天の川銀河や宇宙で最も数が多い星は赤色矮星、つまり質量が太陽の0.8倍未満の小さな星で、星の総数の80％以上を占めています。太陽よりも質量が大きい星はそれほど多くなく、わずか 10% 未満です。

星は宇宙の目に見える物質の主成分であり、銀河の最も重要な構成要素です。しかし、広大な宇宙の中では、天の川銀河は何兆もの銀河の中のごく普通の一個に過ぎず、太陽は天の川銀河の4000億の恒星の中のごく普通の一個に過ぎず、地球の質量は太陽の33万分の1に過ぎず、80万人の人類は地球のような宇宙塵の粒子の上に生きているのです。したがって、人間、地球、太陽系は宇宙の中では非常に小さく、完全に無視できるほどです。

しかし、私は科学的な精神だけが偉大で永遠であると信じています。なぜなら、科学的精神と科学的方法の指導の下でのみ、私たちは継続的に新たな科学的発見をし、自然の法則をより深く理解することができるからです。これらは宇宙文明全体の総意となり、長い歴史を持つ文明間の交流に参加することになります。

しかし、科学には絶対的な真実も終わりもありません。それは常に道路上にあります。私たちがすべきことは、科学の進歩に遅れずについていき、常に新しい知識を学び、宇宙に対する理解を深め、よりオープンな心で生き、より多くのことを理解できるようになることです。これについてどう思いますか？議論を歓迎します。

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