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基礎知識 ガス 宇宙 雑学
2018.07.26

宇宙にはガスがある?!宇宙とガスの関係

目次

宇宙は特殊ガスでできている?

宇宙空間には、100種類以上の元素が存在していると言われています。天文学では、それらを水素・ヘリウム・重元素(水素とヘリウム以外の全ての元素)として、3種類に分類。宇宙では、普通の物質(パリオン)はその質量比にして、水素65~70%、ヘリウム25~30%、そして残りの元素は全てあわせても約1%足らずで、宇宙のほとんどが水素とヘリウムだけでできているのです。つまり、宇宙は「特殊ガス」でできているということになります。
宇宙空間に存在する元素の原子個数の比率の大部分は水素原子です。その次に、ヘリウム原子が水素の10分の1ほど、そして酸素・炭素など重元素が水素の10,000分の1ほど、一酸化炭素・水・アンモニアなど様々な分子の総量はというと、水素分子の10,000分の1以下とみなされます。

ところが、最新の天文学、物理学の研究によると、宇宙は普通の物質(パリオン)と暗黒物質(ダークマター)から成り立っており、ダークマターはパリオンの質量の10倍以上あると考えられているのだそうです。ダークマターは見えない物質であり、電磁波を放出も吸収も散乱もさせない物質のことなのですが、その実態は未だ解明されていません。つまりは、まだまだ研究の途上であると言わざるを得ない現状なのです。

宇宙では分子がガスとして存在

北海道大学では、実験室に宇宙空間を再現させて、光の届かない冷たい宇宙空間にただよう氷の微粒子(氷星間塵)から、分子がガスの状態で放出される仕組みを明らかにしたと発表。この実験の詳細は、英国の学術誌「Nature Astronomy」にも掲載されました。

宇宙空間には、星も存在しない-263度という極低温の領域(分子雲)が存在します。分子雲は肉眼では見ることができなかったのですが、最近の天文観測で、大量の氷星間塵とガスが存在することが分かったのです。
ですが、物理学的観点からすると、水素など軽い分子を除いてほぼ全ての原子・分子は極低温の氷星間塵に付着して凍りついてしまい、ガスとしては存在できないはずなのです。なおかつ、分子雲には氷表面の分子をガスに蒸発させるのに必要である紫外線などのエネルギー源がないのに、なぜ分子雲に大量のガスが存在できるのか今まで分かっていませんでした。そして、その仕組みを解明したのが、北海道大学です。

研究内容は、極めて高い真空度(超高真空)にした実験装置内に-263度の疑似氷星間塵を作成、極低温で光が存在しない分子雲と同じ環境を再現させて、その表面を観察するというもの。
最初に、分子の進化のなかで重要な役割をする単純化合物である硫化水素分子を氷の表面に付着させました。氷星間塵に現実に存在する水素原子をこの氷と反応させて、赤外線吸収分光という手法で観測をした結果、硫化水素と水素原子が引き金となり、氷の表面から硫化水素がガスとして、効率よく放出されることが明らかとなったのです。

これは、光などエネルギー源の存在しない極低温の宇宙空間において、氷星間塵からガスを放出させる仕組みを実証するものであり、天文学の長年の謎であった、「なぜ宇宙空間では全ての分子が極低温の氷星間塵に凍りつかずに、ガスとして存在することができるのか」を解決する歴史的解明とも言えるのです。

銀河間ガス

地球の存在する太陽系を後にすると、そこには無数の星がある星間空間があります。一番近い星ですら何光年も離れた位置にあり、ガスの密度は1cm3あたり平均原子1個程度しかありません。その星間空間も後にすると、さらに荒涼とした世界が広がります。銀河円盤の外縁部は、星と星の平均距離が何十光年、何百光年と離れており、ガスの密度は100分の1の薄さに。さらに銀河系を飛び出して漆黒の暗闇に突入すると、周囲のガスはガスとも呼べないほどの希薄さとなるのです。その平均密度は1cm3あたり原子10-5個ほどでしかありません。

昔の天文学者たちでさえ、ここまで果てしなく遠くの空間について取り上げる意味を感じていませんでしたが、最近では、端役の扱いを受けていた銀河間物質が、宇宙の進化を考えるうえで重要な主役とみなされるようになってきています。
銀河間物質の歴史は、銀河自体よりも古くから存在し、初期の宇宙では全ての物質が高温ガスとなり宇宙空間を満たしていました。やがて宇宙が膨張をし続けていくにつれ、ガスの温度は下がっていくこととなり、凝縮して現在の無数の銀河となったのです。そして、銀河になれなかったガスはますます薄く広がっていくこととなりました。

こうした事実が明らかになってきたのはわずかここ数十年のこと。銀河間物質が明らかになるにつれ、今までの「重力」が銀河を誕生させたという単純理論では説明がつかなくなり、新たな観測事実が続々と発見されていきました。今では、銀河間物質の歴史はずっと複雑であり、銀河間物質に生じた様々な変化が宇宙構造形成と密接に関係すると考えられるようになったのです。

目に見えないものを研究することは、簡単なことではありません。それでも、天文学者たちは、間接的な手がかりから注意深く銀河間ガスの謎を解き明かそうとしているのです。

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