【閑話休題】「脈動する宇宙」を「ミクロ・マクロ・ネットワーク」の視点で読み解く

 無限の多元宇宙(マルチバース)の中で138億年間続いたこの宇宙は、4つの相互作用の絶妙なバランスにより、停滞・霧散することなく複雑化しながら新たな構造をつくり続ける。


●ミクロ・マクロな宇宙のネットワーク


 陽子(+)と電子(-)が出合ってゼロにならず、水素をつくるだけでは終わらず、中性子を介して反発する複数の陽子をつなぎとめ、弾け散り、集まり、燃え、新たな元素を生成し、爆発し、さらに多くの元素をまき散らし、恒星を、惑星をつくり、ブラックホールとなり、銀河を銀河団の誕生と死と再生を繰り返す。安定することのない宇宙環境と、それに適応して均衡状態のバランスを探りながら新たな構造をつくり、永遠の均衡が存在しないがゆえに新たな均衡を模索し続ける。


 本書は、複雑系の過去・現在・未来を「ミクロ・マクロ・ネットワーク」というモデルを通して、物語として読み解く宇宙環境の変化への元素の適応をミクロ・マクロ・ネットワークの視点から整理すると3つの仕組みとして俯瞰できる。


宇宙環境適応の仕組み】

 ①ネットワーク適応:

  ③の相互作用の安定する均衡状態(ex.元素、恒星)をさぐる仕組み。

 ②ネットワーク構造の記憶・維持:

  均衡状態(ex.元素)を記憶し保持しようとする仕組み。

 ③ミクロ・マクロ相互作用:

  ①②で構築された均衡状態を構成単位(ex. 元素、恒星)とした、構成単位毎および宇宙環境との相互作用。


ミクロ・マクロ・ネットワーク(宇宙)


 宇宙の専門家ではない読者が、ビッグバンから銀河・惑星誕生までの仕組みを読み解くとき、宇宙の環境変化に対して、どのような相互作用が働き、どのようなエネルギーなどの均衡=安定状態をとり、またその状態はどのような環境において安定・不安定であるかという視点で探ると、様々な宇宙論の中からバランスの良いものを選び、理解し、物語を組みたてることができる。次々に浮かぶ疑問をそのまま放置しておかないことが肝心だ。調べてみると、それが以外と今ホットな話題だったりする。そして、誰か一人の言だけを信じず、なにかを直感したら、なぜそう思うのかをネットや他の書籍を散策して確認することだ。


例えば、

・電子はなぜ原子核の引力によって原子核に落ちないのか

・超新星爆発の際に恒星内でつくられた元素は破壊されてないのか

・地球にはなぜこれほど多くの元素が存在するのか。その存在比は宇宙において一定のものなのか

・生命が誕生するために適切な元素比はあるのか、あるとしたらなぜそれが地球に集まったのか

・60億年前に始まった宇宙の加速膨張と、46億年前の地球や生命誕生との関係は


 元素というプラットフォームを得て、地球という惑星をつくった宇宙は、地球を実験場として新たな相互作用を創造しながらメタな構造を次々とを組み立てていくことになる。


フューチャー・リテラシー:インデックス

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元素に富んだ岩石惑星「地球」誕生(45億6000万年前)

 豊富な元素を含む「地球」が誕生したのは、宇宙誕生から130億年の銀河の辺境で超新星爆発が発生したという絶妙なタイミングだったからだ。


●ナイスタイミングで誕生した太陽系[1]


 宇宙は、膨張が進みすぎれば銀河を形成する間もなく膨張し続け、逆に収縮に転じる速度が早ければつぶれてしまう。ビッグバン直後からやや減速しつつ膨張し続け、ファーストスター爆発の後、大量の銀河が誕生・衝突・統合を繰り返し、太陽系が存在する「おとめ座超銀河団」の「天の川銀河」を形成した。そして、銀河の統合により宇宙全体に広がっている銀河同士の距離が遠くなると「膨張する宇宙」と銀河の重力により「減速する力」の均衡点を超え、約60億年前から加速度的な膨張に転じた。そして、天の川銀河の辺境に、ウランまでの元素を集め、岩石惑星をそして生命を誕生させるためにちょうどいい塩梅の46億6700万年前というときに「太陽系」を生み出す。

 

●物質大循環と衝突の繰り返しが岩石惑星「地球」を形成[1][2][3]


 456700万年前が矮小銀河と衝突し、爆発的に星が形成される「スターバースト」の騒乱が渦状腕の近くに分布する「分子雲」に到達し、周囲にあった「星間物質」に濃淡をつくる。重力と恒星内の爆発の均衡のなかで「核融合反応」により高温で燃え輝き続ける恒星=太陽が誕生した。


 太陽を形成した「分子雲」は、水素(97%)やヘリウム(8.9%)を主成分とし、超新星爆発などによって生成された様々な物質(炭素、窒素、酸素、マグネシウム、ケイ素、鉄など:0.1)で構成されたガス状の集まりだ。「太陽」にその99.8%が吸収され、残りの0.2%が太陽を中心として「回転する力」と重力により「落下する力」の均衡により太陽への落下を免れ、太陽の周囲に高速に回転する環を形成する。太陽の近くでは、太陽の高温にさらされて水分が蒸発し、ドライな物質だけが残った。太陽風に吹き飛ばされた水分などの揮発成分は、火星と木星の間を境界線とする「スノーライン」の内側には水蒸気を、外側には氷や有機物などのより低温で安定な物質とともに残留した。


 円盤から垂直方向にエネルギーが放出され、徐々に回転を緩め、環の中心面に向かって固体分子(塵や氷)が「沈殿」する。沈殿した固体分子は乱流の中で静電気力や重力相互作用によって集積し合いながら大きくなり、数10Km程度の「微惑星」となって分離する。100億の「微惑星」どうしは、さらに衝突・合体を繰り返して巨大化し、同一軌道上の「微惑星」を取り込み終えると、太陽を中心として長期にわたり公転する「惑星」を形成する。


 太陽に近い軌道では、氷の粒子が蒸発したため微惑星が少なく小型化し「岩石惑星」を、木星の軌道よりも外側では大量の氷の粒子を集めて微惑星がぶつかり合い「太陽風」により飛ばされてきたガスを巻き込み巨大な「ガス惑星」を、天王星の外側の軌道では回転力が弱いため微惑星の衝突がほとんどおきず小さな「氷惑星」を形成する。そして、456000万年前、(32.1%)、酸素(30.1%)、シリコン(15.1%)、マグネシウム(13.9%)、硫黄(2.9%)、ニッケル(1.8%)、カルシウム(1.5%)、アルミニウム(1.4%)[4]、金銀プラチナなどの重金属、レアアース、ウランなどの元素で構成される岩石石惑星「地球」が誕生した。


 ウランまでの豊富な元素材料をそろえる地球は、分子の実験場として様々な物資を生み出してゆくこととなる。


フューチャー・リテラシー:インデックス


参考書籍:

[1] 佐藤勝彦(2015, "宇宙137億年の歴史 :佐藤勝彦最終講義", 角川学芸出版

[2] 吉岡一男(2017, "初歩からの宇宙の科学", 放送大学教育振興会

[3] 丸山茂樹(2020,"最新 地球と生命の誕生と進化:[全地球史アトラス]ガイドブック", 清水書院

[4] 英語版Wikipedia, "Earth", Earth - Wikipedia



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恒星の生と死の繰り返しのなかでつくられた豊富な元素 -- 鉄より重い元素をつくろう!

●恒星の生と死の繰り返しのなかでつくられた豊富な元素  -- 鉄より重い元素をつくろう!


 元素表の元素を生成するためには、巨大な恒星内の核融合よりも莫大なエネルギーが必要だ、離散融合を繰り返す宇宙は、さらなる元素生成の実験場を誕生させた。

 恒星の中での核融合反応が止まると、核融合による「膨張する力」と重力による「落下する力」の均衡がくずれ、鉄の層は中心部に向かって光速の2割ものスピードで落下しはじめる(重力崩壊)。中心部は超高圧のため鉄原子に電子が押し込められ、陽子が中性子に変わり(弱い相互作用)中性子のコアができる。中性子のコアに鉄の層が落下し跳ね返り、激しい高密度の衝撃波が発生する。さらに、中心部のコアの重力崩壊が進み、やがて回転する巨大なブラックホールとなり、周囲を巻き込みながらジェット流にのせて元素をまきちらす極超新星爆発をおこす。


 この極超新星爆発において、ケイ素層や酸素層下部では、衝撃波が通過するときの高温高密度下で鉄を中心とした元素を生成、重い原子核は大量に生成された中性子を捕獲し、さらに重い原子核となる。陽子と中性子の均衡がとれる数に達すると電子を放射して安定した元素となり(弱い相互作用)、さらに中性子を捕獲してより重い元素を生成し、鉄より重い元素を生成する連鎖が続く。このようにして元素表にあるさまざまな元素が巨大なブラックホールの周囲から、ジェット流にのって宇宙空間に広がった。


 ファーストスターのサイズは、ダークマターの密度の偏りにより異なり、先に示した太陽質量の40倍程度のものから、大きなものは短期間に6万倍にも巨大化し、その最後に超新星爆発とともに中心核からモンスターブラックホールを形成、さらに周囲の星間ガスをとりこみ、モンスターブラックホールどうしが合体し太陽質量の10億倍もの超巨大ブラックホールとなり、ファーストスターからまき散らされた元素=星間ガスをもとに数千億の恒星を生み出す銀河へと成長してゆく。

 銀河の中では、ばらまかれた星間ガスが集まってさまざまなサイズの恒星が誕生と死を繰り返す。コアが中性子星となり恒星表面に到達した衝撃波により超新星爆発をおこすもの、超新星爆発をおこさずゆっくりとした中性子核融合によりプラチナよりも重い元素を生成するもの、連星系による核爆発型の超新星爆発により炭素、酸素、ケイ素そして鉄を大量に生成するもの、中性子星の連星の衝突・合体により金やプラチナなどの重金属を大量に生成するものなど、現在に地球にある豊富な元素は恒星の生と死の振り子のリズムから徐々に生成されていったのだった。


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参考書籍:

[1] 佐藤勝彦(2015, "宇宙137億年の歴史 -佐藤勝彦 最終講義-", KADOKAWA

[2] 和南城伸也(2019, "なぞとき 宇宙と元素の歴史", 講談社

[3] 谷口義明(2019, "宇宙はなぜブラックホールを造ったのか", 光文社

[4] 谷口義明(2019), "宇宙の誕生と進化", 放送大学市教育振興会


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ファーストスターが銀河の種をまきちらした --- 鉄までの元素をつくろう!

●ファーストスター内部で鉄までの元素をつくろう!


 周期表の水素とヘリウム以外の元素はどのように創造されたのだろうか。水素(陽子1)、ヘリウム(陽子2)、順に陽子を足していけば水素をもとに他の元素をつくることができそうだが、お互いにプラスのため反発し合う陽子同士は近づくことができない(電磁気相互作用)。かの錬金術師たちが、どのように頑張っても他の元素から金をつくることができなかったわけだ。

 ところが恒星内において原子核が超高温・超高圧状態にさらされると、電子と原子がばらばらになり、陽子同士が衝突することができるようになる。陽子どうしがぶつかると陽子過剰となって陽子から陽電子(プラスの電荷)とニュートリノが飛び出して中性子となり(弱い相互作用)、陽子と中性子が結合することにより水素原子核(陽子1)⇒重水素原子核(陽子1+中性子1)⇒ヘリウム原子核(陽子2+中性子2)へと形を変えていく(強い相互作用)。いったん、ヘリウム原子核が構成されると、低温低圧状態にもどっても結合がほどかれ水素にもどることはない(強い相互作用)。恒星内の反応としては、水素からヘリウムへの核融合の期間がもっとも長い。

 恒星内の中心にヘリウムが蓄積され、さらに高温・高圧状態がすすむと、炭素、酸素、ネオン、マグネシウム、ケイ素、硫黄、カルシウムなどが連鎖的に生成される。より大きな元素番号へと核融合反応が進むにつれてエネルギーを放出しているため軽くなり結合力が強く働くようになる(強い相互作用)、一方で鉄よりも陽子が多くなると反発が強まり(電磁気相互作用)、最も安定した元素=鉄を生成したところで核融合反応が終了する。ファーストスターが誕生してから数百万年かけてようやく鉄(元素番号26)までの元素が創造することができた。


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参考書籍:

[1] 佐藤勝彦(2015), "宇宙137億年の歴史 :佐藤勝彦 最終講義-", KADOKAWA



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ファーストスターが銀河の種をまきちらした --- 水素のとヘリウムのネットワークが光をともす


●ファーストスターが宇宙空間に光りをもたらした


 今私たちがあるのは、初期の宇宙のわずかなゆらぎが水素とヘリウムのネットワーク=ファーストスターを編み出し、集散離合のリズムの中から今ある元素を生み出したからだ。


 水素とヘリウムで満たされた宇宙では銀河を作る材料もなく、薄いガスが静かにただ広がるだけのはずだった。しかし、実際には水素を超える大量のダークマターが宇宙に広がり、重力により影響を与え合っていた。

 「宇宙の晴れ上がり」から1億年の時をかけて、太陽質量の100万倍のダークマターの塊の重力に20万倍のガス(水素とヘリウム)が引き寄せられ、最初にあった密度の差が濃くなり編み目のような模様をつくりはじめる。

 さらに、密度の濃い部分では1000度の高温の乱流状態となり、分子同士が近接し、「電磁気相互作用」によって集まり、一部は化学反応により合体し、さらに「重力」による収縮が始まる。わずかに回転していた「分子雲」は、収縮にともない高速に回転する円盤となり、中央部は「重力」によりさらに中央に向かって落下を続ける。やがて、重力による「落下する力」と、落下のぶつかり合いがおこした熱による「膨張する力」が均衡し収縮が止まり、内部の熱により輝く「原始星」が誕生した。この時の大きさは太陽の直径の5倍、太陽質量の100分の1ほどと軽く、宇宙に初めてかすかな光りをともした。

 「原始星」へ向けて高速のガスが流れ込み続け、太陽質量の20の重さになったときに1500万度を超え、「核融合反応」を繰り返すようになり、太陽の10万倍もの明るさで輝き照らす。この光がまわりのガスを暖め、ガスが星にふりつもるのにブレーキがかかる。さらに7万年後太陽質量の42、表面温度10万度の高温で燃えさかったとき、核融合による大規模な爆発「膨張する力」と重力による「落下する力」が均衡し、ついにその成長を止めた。


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参考書籍:

[1] 佐藤勝彦(2015), "宇宙137億年の歴史 :佐藤勝彦 最終講義-", KADOKAWA

[2] 吉田直紀(2018, "地球一やさしい宇宙の話 :巨大ブラックホールの謎に挑む! - ", 小学館



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佐藤基

Author:佐藤基
『フューチャー・リテラシー -- 過去・現在・未来、複雑系の未来を読み解く』
を執筆中。

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