宇宙学のサンプル問題

Question 1

太陽系の8惑星のうち、太陽から最も遠く「氷の巨人」とも呼ばれる惑星は何でしょう？

Accepted Answer

海王星。海王星は1846年に計算で位置を予言されてから発見された惑星で、公転周期が約165年もあるため、発見から太陽を1周し終えたのはようやく2011年のことでした。太陽から近い順に「水・金・地・火・木・土・天・海」と並び、海王星が最も遠い惑星です。かつて第9惑星とされた冥王星は、2006年に国際天文学連合が「軌道周辺を支配している」という条件を満たさないとして準惑星に再分類しました。天王星は海王星の内側（太陽から7番目）で同じ氷の巨人、木星・土星はさらに内側のガス惑星です。

Question 2

光が太陽を出発して地球に届くまでにかかる時間はおよそ何分でしょう？

Accepted Answer

約8分。光が太陽から届くのに約8分かかるため、もし太陽が今この瞬間に消えても、地球ではその後8分ほどは何事もなく太陽が輝いて見えます。太陽から地球までの距離は約1億5000万km（1天文単位）で、これを光の速さ（秒速約30万km）で割ると約500秒、つまり約8分20秒になります。約5分は約500秒を「5分」と読み違えた値、約11分は距離を2億kmと大きく見積もった値、約6分は距離を1億kmと小さく見積もった値で、いずれも実際の計算とは合いません。この時間差のため、私たちが見ている太陽はつねに約8分前の姿です。

Question 3

ビッグバンから約38万年後の「宇宙の晴れ上がり」に放たれた光がマイクロ波として全天に観測される「宇宙マイクロ波背景放射」の現在の温度はおよそ何ケルビンでしょう？

Accepted Answer

約2.7K。温度はわずか2.7Kでも、この放射の光子は宇宙で圧倒的に数が多く、1立方センチあたり約400個が全空間を満たしている（星の光の光子よりはるかに多い）。宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、ビッグバン直後の高温の宇宙が膨張とともに冷えた名残で、現在の放射温度は約2.7ケルビンだ。極低温だが、その中の10万分の1程度の温度ゆらぎを精密に測ることで、宇宙の年齢や組成、初期条件を調べる最重要の証拠になっている。27Kや270Kは単に桁を誤った値。2700Kは太陽表面温度（約5800K）の半分ほどで、赤色矮星の表面に近い温度であり、宇宙全体を満たす放射としては物理的にまったく別のスケールだ。

Question 4

遠方銀河の光の波長が、光源の運動ではなく空間そのものの膨張によって引き伸ばされる現象を何というでしょう？

Accepted Answer

宇宙論的赤方偏移。この効果では、遠い銀河が「光速を超える速さ」で遠ざかっていても矛盾しない。相対論が禁じるのは空間の中の運動であって、空間そのものの膨張は制限されないからで、赤方偏移が1.5ほどを超える銀河は現在光速より速く後退している。宇宙が膨張すると、光が進む間に空間そのものが伸び、光の波長も一緒に引き伸ばされて赤い側へずれる。これが宇宙論的赤方偏移で、遠い銀河ほど大きくずれることがハッブルの法則として観測されている。ドップラー赤方偏移は光源自体が空間の中を遠ざかる運動によって起こるもので、原因が異なる。重力赤方偏移は、強い重力場から抜け出す光がエネルギーを失って波長が伸びる現象。星間赤化は星間のちりが青い光をより多く散乱・吸収して星が赤っぽく見える現象で、スペクトル線の位置そのものはずれない。

Question 5

銀河の後退速度が距離に比例するという「ハッブルの法則」の比例定数をハッブル定数といいますが、現在の観測値として最も近いのは約何km/s/Mpcでしょう？

Accepted Answer

約70 km/s/Mpc。ハッブル自身が1929年に出した値は約500 km/s/Mpcで、現在の値の7倍もあった。この値では宇宙の年齢が約20億年になり、放射性年代測定で分かっていた地球の年齢より若くなる矛盾が長く残った。原因は当時の距離指標（セファイドの種類の混同など）の誤りで、値は観測技術の進歩とともに何度も改定されてきた。現在の精密測定では約70 km/s/Mpc（メガパーセク当たり秒速70キロメートル）とされ、宇宙の年齢推定や暗黒エネルギーの理解に直結する。1 Mpcは約326万光年。測定手法（超新星、セファイド、CMBなど）によって値がわずかに異なり、「ハッブルテンション」と呼ばれる不一致が現在の重要な謎になっている。約50 km/s/Mpcは1970〜80年代の一部の測定値、約100 km/s/Mpcは同時期の別陣営の値で長く論争になったが、いずれも現在の観測値ではない。約150 km/s/Mpcはそれよりさらに大きく、どの時代の主要な測定にも当てはまらない。

Question 6

太陽系の惑星のうち、太陽に最も近い軌道を持ち、表面温度が昼夜で400度以上も変化する惑星は何でしょう？

Accepted Answer

水星。太陽に最も近い水星より、2番目の金星のほうが表面温度は高く、厚い二酸化炭素の大気の温室効果で約460℃に達します。水星には大気がほとんどないため熱を保てず、昼は約430℃、夜は約−170℃と昼夜の差が約600℃にもなります。太陽に近い順は「水・金・地・火・木・土・天・海」で、水星の公転周期は約88日と最短です。金星は2番目、地球は3番目、火星は4番目の惑星で、いずれも太陽に最も近い惑星ではありません。

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