太陽はどうして輝いているのか

銀河の中の星間空間ではなく、銀河系の外、つまり宇宙に散らばる銀河と銀河の間の空間はどうなっているのだろうか。これを銀河間空間と呼んでいます。可視光で見てもなにも見えないし、星間空間よりさらに空っぽという印象を持つ人が多いでしょう。確かに、銀河内の星間空間よりさらに密度が低いというのは正しいです。

だが、宇宙において、銀河間ガスとして存在する物質の量が、銀河の中に存在するものに比べてずっと少ないというのは全くの間違いでしょう。現在の宇宙に存在するべき全バリオン物質の平均密度は、ざっと１０立方メートルあたりに水素原子が２個程度といったところです。

典型的な銀河内の星間ガスの密度に比べてさらに１０００万倍も薄いことになります。このバリオン密度はどうやって見積もったのだろうか? 直接観測することは実は難しくて、まだできていないといいます。だが、ビッグバン元素合成や宇宙マイクロ波背景放射の精密観測によって、宇宙初期にどのような粒子反応が起きてきたかはよくわかっています。

そこから高い確実性を持って、現在のバリオン密度をはじき出すことができるといいます。一方、銀河の中に存在する星やガスの質量から、銀河の中に取り込まれた物質量を見積もることができます。

すると、銀河の中の星や星間ガスは、宇宙に存在するべき全バリオンのざっと１０分の１程度にしかならないのです。では、残りの３０パーセントのバリオン物質は今、どこにあるのか。それは銀河間に漂う希薄で高温のガスとして存在すると考えられています。

宇宙の膨張で温度が低下するのだから、銀河間ガスは非常な低温になっているのではないかと思われるかもしれません。だが、重力によって宇宙大規模構造の形成が進み、重力エネルギーがガスに与えられるため、典型的な銀河間ガスの温度は現在１０００万度にもなっていると予想されています。

初代の星や銀河の形成に始まって、現在のように様々な銀河が存在するようになるまで、銀河の形成と進化の歴史について説明をしたいのですが、その前に銀河を構成する最も代表的な成分である恒星について簡単に説明しておかなければならないでしょう。

正確には恒星と呼ぶべきですが、以下では単に星と呼ぶことにします。星間ガスが収縮して、やがて中心部で核融合反応が始まるのが恒星誕生の瞬間でした。最初の核融合反応は水素をヘリウムに燃やすもので、これにより安定に輝いている星を主系列星と言恒星は一生のほとんどをこの状態で過ごします。 太陽なら約１００億年です。

ちなみに、太陽がどうしてこのような長期間にわたり安定して輝くことができるのかというのは長年の謎でした。そのエネルギー源が核融合であると判明したのは２０世紀に入って原子核物理学が発展したからです。

それ以前に人類が考えつくエネルギー源といえば、モノが普通に燃える、つまり化学的な燃焼反応か、あるいは重力エネルギーぐらいしかなかったのです。だが化学的燃焼反応で今の明るさを維持できるのはわずかに２万年程度、重力エネルギーでもせいぜい数千万年になってしまう。

地質学的に太陽が少なくとも数十億年以上の年齢を持っていることは明らかだったから、これは大変な難問だったのです。人類文明発祥以来、いや生命発生以来の長きにわたりお世話になっている最大のエネルギー源を人類が理解したのは、たかだか１００年前ということになるのです。

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