宇宙を思い浮かべる①「宇宙の誕生:ビックバン」ゆらぎから元素の誕生まで

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ビックバン

昔から宇宙に関して非常に興味があり、一時期は寝る前に宇宙のことを1つ調べてから眠りにつくのが日課となっていました。

宇宙を思い浮かべると、いろいろなことがちっぽけに見え、少しだけ現実逃避できるので、ストレスの解消としても宇宙のことを調べることは効果がある?ように思えます。

まだまだ知らない宇宙のことがたくさんあるので、今から勉強していきたいと思います。そんな第1回目は「ビックバン」について。

熱い1点の火の玉から始まった

宇宙は永劫不変に存在し続けたのではなく、遠い過去のある時点に誕生の瞬間を迎えたといわれています。

それは約138億年前のことで、宇宙はごく小さな、とても熱い1点から始まりました。莫大なエネルギーが一気に解放され誕生直後の宇宙は1027K(ケルビン:絶対零度を基準とする温度)という超高温の状態でした。

 

満ちたエネルギーから光子やクォークなどの素粒子が大量に生成され、粒子と反粒子が誕生しお互いが衝突してエネルギーに変換され消滅していきました。

粒子のほうがわずかに(1億個の反陽子に対して陽子が1個上回る程度のわずかな違いで)多かったため、宇宙誕生から10-4秒後には反粒子は完全に消え、残された粒子が現在の宇宙を形作る物質となりました。

 

高密度の素粒子と光子は、1012Kもの温度で激しく飛び回り、衝突・錯乱を繰り返して熱平衡状態が宇宙の始まりの姿となっていました。

1946年にアメリカのジョージ・ガモフが理論的に提唱した”熱い火の玉”のような状態を揶揄的に称して生まれた「ビックバン」という言葉が宇宙誕生の標準的なモデルとなっています。

元素の誕生

現在の宇宙では物質の中から単独で取り出せない素粒子クォークも、誕生直後の高温・高密度状態の宇宙では、バラバラの素粒子として運動していました。

急激な膨張により宇宙のエネルギー密度が下がり次第に冷えていくと、力の作用・働きが素粒子に使われるようになります。

約1015Kで、それまで質量を持たなかったクォークやレプトン、ウィークボソンなどの粒子が質量を持つようになります。

 

ビックバンから1秒後、宇宙の温度が1012Kまで下がるとグルーオン(強い相互作用を媒介する素粒子)がクォークを凝集させハドロンが誕生します。3つずつのクォークが凝集してできた陽子や中性子などの核子もこのハドロンの一種です。

100秒をすぎるころになると温度は109K程度まで下がり、陽子や中性子は強い相互作用で結合するようになり、宇宙で最初の原子核が誕生しました。宇宙誕生から約3分間で、今の私たちの世界を形作る物質が生み出されました。

ビックバンの過程では、水素(陽子)、重水素(陽子+中性子)、ヘリウム(陽子2個+中性子2個)、わずかなリチウム(陽子3個+中性子3個)とその同位体(中性子4個)というように最も軽い元素種のみが生成されました。

その大部分、質量で75%、原子の数では92%を水素原子核が占めていました。

主な天文用語

恒星太陽のような自ら光り輝く天体
惑星恒星の周囲を周っている天体
星団複数の恒星の集まりで数十個こら数万個以上で群れを成す
星雲ガスとダスト(塵)でできた雲
銀河恒星などが集まった巨大な天体
素粒子すべての物質を形作っている最も細かい粒子
近日点太陽系の惑星などが軌道上で太陽に最も接近する位置
遠日点太陽から最も遠い位置
等級星の明るさを示す単位 1等級上がるごとに明るさは約2.5倍
潮汐力潮の干潮を起こす力 月と地球の引力の影響で起こる