地球から遠く離れた宇宙や天体の神秘に触れる
国立天文台の天文学者に聞く“宇宙の温度”

Space / -270℃

Life

地球では住む地域によって気温が違いますが、地球の外の宇宙の温度ってどうなっているのでしょうか?そもそも星などの天体の温度ってどうやって測っているの?といった話から、宇宙で一番熱い場所や寒い場所の話などを、宇宙に詳しいタレントの黒田有彩さんと一緒に、国立天文台へ科学的に聞きにいきました。ちょっと長いけど、ぜひ読んでください!

Writer:大岡雅弘 / Photographer:橋本千尋

黒田有彩さん

中学時代、作文コンクールで入賞しNASAを訪問したことをきっかけに宇宙の虜に。宇宙飛行士の試験に必要となる専門分野での“実務経験”を「タレントとして宇宙の魅力を発信すること」と定め、JAXA宇宙飛行士試験の受験を目指している。2017年4月から文部科学省国立研究開発法人審議会宇宙航空研究開発機構部会 臨時委員に就任。Twitterアカウントは@kuroari_rtts

中学時代、作文コンクールで入賞しNASAを訪問したことをきっかけに宇宙の虜に。宇宙飛行士の試験に必要となる専門分野での“実務経験”を「タレントとして宇宙の魅力を発信すること」と定め、JAXA宇宙飛行士試験の受験を目指している。2017年4月から文部科学省国立研究開発法人審議会宇宙航空研究開発機構部会 臨時委員に就任。Twitterアカウント @kuroari_rtts。YouTubeチャンネル『黒田有彩もウーチュー部』
毎週水曜日17時配信 https://www.
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国立天文台とは?

国立天文台の看板の画像

日本の天文学の中核を担う国立の天文台、研究機関であり、大学共同利用機関です。東京都三鷹市の三鷹キャンパスに本部を置き、国内はもちろん、ハワイやチリなど国外にも観測所を設置して観測や研究を行っています。

教えてくれた人

平松正顕さんの画像

国立天文台 天文学者
平松正顕さん

1980年、岡山県生まれ。2008年、東京大学大学院理学系研究科天文学専攻 博士課程修了。博士(理学)。2011年より国立天文台勤務。自然科学研究機構国立天文台チリ観測所助教。現在は主に「アルマ望遠鏡」(南米チリの標高5000mの高地に設置されている電波望遠鏡)の広報として執筆活動、Webサイトのオペレーション、講演会の企画などを担当。「国立天文台 アルマ望遠鏡(@ALMA_Japan)」というTwitterアカウントの中の人でもある。

地球の近くの宇宙空間は700度!

今日は“宇宙の温度”についてお聞きしたいと思っています。まず地球の大気圏を突破した先の宇宙空間の温度は何度くらいなのでしょうか?

平松正顕(以下平松):はい。「理科年表」(国立天文台編纂)という本に、「超高層大気」というページがあって、地球の高度と温度を表すグラフが載っています。温度の単位はケルビン=絶対温度(※1)です。

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熱力学の法則によって定義された温度。単位はケルビン(K)。絶対零度と呼ばれる0ケルビンは、摂氏-273.15度のこと。

大気のグラフ

引用:「理科年表」(国立天文台編纂)大気の名称

このグラフを見ると、高度10キロメートルくらいまではずっと温度が下がっていきます。

黒田有彩(以下黒田):10キロメートルは大体、旅客機が飛んでいるくらいの高さですね。

平松:そうです。で、高度10キロメートルから成層圏界面という50~55キロメートルくらいとのころまでは温度が上がり始めます。そこから再び温度が下がって、90キロメートル手前あたりからまた上がっています。

黒田:成層圏界面の手前で一回温度が上がるのはなぜですか?

平松:オゾン層の影響ですね。オゾン層では紫外線が吸収されてエネルギーがそこにとどまるので温かくなる。そこが摂氏0度くらいです。それでまた一回下がって、宇宙空間に入るあたりからは再びぐんぐん上がり始めます。

宇宙空間はどれくらいの高さからなんですか?

黒田:カーマンライン(※2)だと、高度100キロメートルからですね。

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国際航空連盟 (FAI) によって定められた仮想のライン。海抜高度100キロメートルのラインを超えた先が宇宙空間、ライン以下は地球の大気圏と定義される。

平松:それで「気温、密度の高度分布」というグラフも見てみると、高度400キロメートルくらいに達すると温度は絶対温度1000度くらいになっています。つまりざっくりでいうとそのあたりの温度は摂氏700度です。

宇宙空間の温度は700度!?

黒田:400キロメートルというとちょうど国際宇宙ステーションが回っているくらいの高度ですね。宇宙ステーションはそんなに熱いところにいるんですか?

平松:そうですね。ただこれは、そもそも温度というのは何かということがわかっていないと理解しにくいことなんですね。

温度とは「粒がぶるぶる動くこと」

温度とは何か……難しそうですが、説明してもらえますか?

平松:温度というのはいろんな物質の粒(つぶ)がどれくらい激しく動いているかで決まるものなんです。絶対零度というのは粒がまったく動かない状態です。その動きが激しくなればなるほど温度は高くなります。「粒の動きが激しくなることを温度が高いという」と表現したほうが正しいかもしれません。

その動いている粒というのは具体的には何なんですか?

平松:地球の大気でいうと、空気の中に酸素だとか窒素だとかがいっぱいあって、その酸素や窒素の粒がぶるぶると動いているんです。粒というのは分子や原子のことです。

分子は複数の原子がくっついているもののことで、温度が高いと結合がはずれて原子になります。逆にいうと温度が低いところでないと原子はくっついて分子になれません。そして原子というのは真ん中に原子核があってその周囲を電子がぐるぐると回っています。この電子が外からエネルギーを受けると弾き飛ばされてしまうことがあります。すると裸の原子核ができてしまうんですけど、そうした状態をプラズマといいます。温度が上がると分子や原子はプラズマになります。

平松正顕さんの画像

温度が低いときは分子、それよりも温度が高いと原子、もっと温度が上がるとプラズマになる。高度400キロメートルの700度の世界ではどの状態になっているんでしょう?

平松:700度だとプラズマです。ただ、高度400キロメートルの宇宙空間はもうほとんど大気のない真空に近い状態です。ほぼ真空状態なんですけど、まったく大気が0ではない状態なんですね。

ということは、ちょっとでも粒があればその粒がどれくらい激しく動いているかで温度が何度かを定義できます。めちゃくちゃ大気が薄いので、ひょっとすると触っても熱いとすら感じないくらいの粒子の密度かもしれません。でもその一個一個の粒を見てみると「700度くらいに相当する動きをしている」ということです。その粒子を空気といっていいかはわかりませんが、小さな小さな粒の気温は700度なんです。

黒田:太陽が当たっているところがそれくらいの温度ということですよね。当たっていないところだと逆にすごく温度が低いんでしょうか。

平松:そうですね。地球は大気があるので温度がこもって夜もそんなに寒くないんですが、たとえば月面の夜はかなり寒くなりますから。月面の温度は黒田さんのほうが詳しいと思いますが。

宇宙の温度の記事の画像

黒田:月だと昼は摂氏110度くらいだったと思います。夜だと-170度くらい。温度差が280度くらいかな。宇宙探査機なんかもそのすごい温度差に耐えられる設計になっているという話をよく聞きますね。

星の温度を測る方法は?

太陽はどれくらいの温度ですか?

平松:太陽もプラズマのガスのかたまりで、表面温度は摂氏6000度といわれています。

その6000度というのはどうやって測っているんでしょう?

平松:これは色でわかるんです。大原則として、温度が高い物質は波長の短い電磁波をたくさん出します。波長の短い電磁波は色でいうと青い側に寄ります。温度が低い物質は波長の長い電磁波を出し、赤い側に寄ります。太陽は色でいうと白か黄色くらいです。それで6000度だとわかるわけです。

一方でたとえば最近、超新星爆発するんじゃないかといわれているベテルギウスなんかは赤い星です。だから温度が低い。3000度とか4000度とかです。逆に温度の高い星にはおとめ座の一等星スピカや、 おおいぬ座の一等星シリウスなどがあります。

温度を色で認識するというのは、望遠鏡で見るときに色見本のようなものがあってそれと照らし合わせるんでしょうか?

平松:実際には数字に変換するんです。これ(グラフ)は、横軸が波長で縦軸が光の強さになっています。それでたとえば温度が高い5500ケルビンの温度の星は400ナノメートルくらいの波長の光を多く出しています。でも3500ケルビンだと400ナノメートルの光はほとんどない。そんな具合にそれぞれ波形が違っているわけです。波のピークの位置も違ってきます。

プランクの法則

引用:プランクの法則

で、色を測るときに天文学者はどうするかというと、光学望遠鏡の場合はいろんな色のフィルターで写真を撮ります。青色の光だけ通るフィルター、緑の光だけ通るフィルター、赤の光だけ通るフィルター、赤外線だけ通るフィルター、といったものがあってそれぞれのフィルターで写真を撮るわけです。

そうすると青色、緑色、赤色がどれくらいの強さなのかを特定して点を打てるんです。その点をつないでやると、たとえば5500ケルビンの波形図に一致するといったことがわかります。そういうことをやって温度を特定します。

何度のときにどういう曲線になるかというのは、「プランクの法則」という物理法則によって決まっています。そういう意味では、その曲線が色見本といってもいいかもしれません。

黒田:そういう仕組みなんですね。電波望遠鏡だとまた違うんでしょうか?

平松:電波望遠鏡だとちょっと違います。フィルターをかけるんじゃなく、今度は色ごとにカメラを変えます。アルマ望遠鏡の場合も、中に違う波長の電波を観測する8つの受信機が入っています。それぞれ特定の波長の電波を受信できるようになっています。

星の温度は年齢と質量で決まる

そういった仕組みで調べて、太陽は恒星の中では中くらいの温度だと。では宇宙で最も温度が高い恒星は?

平松:最も熱い恒星というのは難しいですね。というのも恒星にもいろんなフェイズがあるので。

黒田:星も生き物なんですよね。ベテルギウスという星はおじいちゃんの星で、だんだん膨らんでそのうち爆発してしまうといわれています。そんな状態だと温度も低いけど、前はもっと温度が高かったはずですよね。

平松:そうです。基本的に生まれてすぐの星の温度は低く、大人の星になるとちょっと高くなります。働き盛りの星は温度が高く、年取ってくるとまた低くなるんです。太陽は今ちょうど働き盛りです。

それと温度は星の重さによっても違います。普通の働き盛りの星同士で比べると、軽い星ほど温度が低い、重たい星ほど温度が高いということですね。

黒田:太ってて(※3)よく働いている星は温度が高い。

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星の場合太っているというのは「密度が大きい」という意味だそう

宇宙の温度の記事の画像

平松:太っててめっちゃ働いて太く短く生きる星が一番高いです(笑)。重たい星は短命なので。太陽は100億年の寿命があって、今46億年くらいです。ベテルギウスは1000万年くらいかな。

星ではなく、宇宙全体で温度の高いところ、低いところはあるんですか?

平松:いい質問ですね(笑)。どこが高いんだろう。たとえばオリオン座の中にオリオン大星雲というところがあって、非常に重い星が4つくらい生まれています。重たい星は温度が高く青い方に光が寄りますが、青よりももっと青寄りになると紫外線を出します。その紫外線が周囲のガスを照らしているので星雲として光って見えるんですが、かなり温度が高いはずです。大体1万度くらいですか。

それと超新星爆発のあとの周辺の宇宙も熱いはずです。たとえばおうし座の中のかに星雲は1000年前くらいに爆発した超新星の残骸で、爆発したガスが広がっている途中だといわれています。そこも温度が高いでしょう。

で、もっと温度が高いのは、実は銀河と銀河の間です。

平松正顕さんの画像

一同:ええっ!?

平松:銀河と銀河の間には「銀河間ガス」というのがあるんです。これは完全にプラズマです。そこは数千万度~1億度の熱さといわれています。

黒田:不思議ですね、そんなところのガスが熱いなんて。ブラックホールはどうなんですか?

平松:ブラックホールか……確かにブラックホールの周りは熱いことが最近わかりました。ブラックホールの中は物質が動こうにも動けない状態なので温度は測れないと思います。でも周囲はものすごく熱い。昨年4月にブラックホールが撮影されて話題になりました(※4)が、その周囲の温度は60億度といわれていますね。このブラックホールは太陽の65億倍の質量があります。しかし宇宙にはもっと重いブラックホールもあることもわかっています。

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昨年4月にブラックホールが撮影されて話題になりました
おとめ座銀河団の楕円銀河M87の中心に位置する巨大ブラックホール。地球から5500万光年の距離にあるとか。史上初めて撮影に成功し、2019年4月10日にその映像が発表された。

重いブラックホールほど周囲の温度は高くなるんですか?

平松:うーん……重たいほうがたくさん引っ張るから、エネルギーもたくさん持ってくるような気はしますね。でも温度はどうでしょう。可能性はありますが、難しい問題です。

では、宇宙で一番温度が低い場所は?

平松正顕さんの画像

平松:低いのは、これです。ベテルギウスみたいな重たい星は最後に爆発して飛び散ってしまうんですが、ベテルギウスほど重たくない、太陽か太陽よりちょっと重たいくらいの星は爆発じゃなく、もう少し穏やかにガスを吹き出しながら死んでいくんですね。この写真はそういう、真ん中に死にかけの星があって、長期にガスが吹き出している様子です。「ブーメラン星雲(※5)」という天体です。このブーメラン星雲は、絶対温度0.5度です。つまり摂氏-272.7度です。

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ケンタウルス座の方向5000光年彼方の原始惑星状星雲。太陽の数倍重い赤色巨星が一生を終えた後、周囲に作られた天体といわれている。

宇宙に絶対零度の場所というのはないんですか?

平松:絶対零度の場所はないと考えていいと思います。理論上設定はできますが、しかし外から入ってくる熱エネルギーを完全にシャットアウトしなくてはいけないですし、最近は真空からもエネルギーが生まれるとかいう話もありますので。全部取っ払ったはずでも、どうやらその中でエネルギーが生まれたり消えたりするようなんです。だから絶対零度にはならないと思います。

「宇宙の温度は絶対温度3度」?

黒田有彩さんの画像

黒田:実は私、大学生の頃に宇宙の温度についてネットで調べたことがあるんです。そのときは「宇宙の温度は絶対温度3度」という数字が出てきた記憶があります。

平松:そうですね、出てくると思います。これは宇宙の温度が絶対温度3度というよりは、「宇宙には絶対温度3度の物体から出てくる電波で満ちている」と解釈したほうがより正確だと思います。つまり-270度ですね。

一同:ほおー。

平松:宇宙が絶対温度3度だというのは、絶対温度3度の物質から出てくるような電波が宇宙のいたる所で観測できる、ということなんですね。ではなぜ絶対温度3度の物質がたくさんあるかというと、実はビッグバンの残り火なんです。

宇宙は138億年前にビッグバンを起こして始まったといわれていますが、そのときはめちゃくちゃ熱かったんです。1兆度を超える超高温だったとも考えられています。それがビッグバン後、宇宙がどんどん膨張していくにつれて冷えていって、今は絶対温度3度くらいになっているということです。今後はもっと冷えるかもしれません。

絶対温度3度が宇宙の平均的な温度、とはいえますか?

平松:難しいですね。たぶん温度を持っているものの体積で比べると、銀河間ガスがけっこうでかいはずなんですよ。銀河と銀河の間はこの銀河間ガスが満ちていて、銀河全体を包んでいるような状態です。それに先ほどのブラックホールの周囲も非常に温度が高いので、平均温度といわれても難しい。

平均を取るにはデータが足りない?

平松:むらが大きすぎてよくわからないということですかね。めっちゃ冷たいところもあるし、めっちゃ熱いところもあるので、何ともいえません。

ブラックホール周囲の60億度というのはけっこうインパクトのある発見だったんですか?

平松:あのときはブラックホールの周りが見えたということ自体がすごいインパクトだったんです。だから温度についてはそれほど騒がれてはいなかった気がしますね。

黒田:でも60億度って何が起こっているんだろうっていう感じですよね。もうプラズマしか残れないですよね。

平松:状態としてはプラズマしかないでしょうね。

宇宙船がブラックホールに吸い込まれてホワイトホールから出てくる、みたいな設定をSFで見かけることがありますけど、まず熱くて入れないですよね?

平松:入れないと思いますが、ただ熱で溶けるより前に、たぶん重力で崩れちゃうんじゃないかな。

黒田:でも重力の問題の前に温度でやられちゃう気もしませんか?

平松:どっちでしょうね。確かに温度でやられるのが先か。でも問題はあそこの密度がどれくらいなのか……たとえば宇宙ステーションがあるところだって700度なのでめちゃくちゃ熱いですけど、温度はあまり気にしていないですよね。日なた、日かげの温度差は気にしていますけど。周りにある薄い気体の温度はあまり気にしていないと思います。それは非常に希薄だから……ということはブラックホールの周りがどれくらいの密度になっているかだと思いますね。密度が高くなっていると温度としても……ちょっと待ってください、ほんとかな。怪しくなってきました(笑)。

国立天文台 天文学者 平松正顕さんの画像

宇宙ステーションもやっぱりそれ、考えなきゃいけないですね。熱いプラズマ粒子が当たってくるのは間違いないんだから。すいません、さっきのは取り消します。うーん、ブラックホール周辺で宇宙船が温度で先にやられるか、重力でやられるのかはちょっとわからないですね。温度のほうが先のような気はしますが。

黒田:なるほど。

その平松さんが悩んでいる様子を記事にしてしまってもいいですか?

平松:いいです(笑)。そうですねえ、ブラックホールの周りが熱いという話は、これまであまり話題になっていないかもしれませんね。SFでも出てこないような……。ブラックホール周辺で熱さと重力のどちらが致命的な問題になるのかというのは、僕にはちょっとわかりません。

宇宙にはまだまだ謎が多いということがわかった気がします(笑)。本日は貴重なお話をありがとうございました!

宇宙の温度の記事の画像

まとめ

黒田:宇宙の温度については私、けっこう昔から気になっていたんです。温度は粒子の振動によって生まれてくるものだというのを高校生のときに初めて知って、じゃあ宇宙の温度って何度だろうって思っていました。さらに興味があったのは、ビッグバンが起きる前の無の世界の温度。それは絶対零度だったのかなとか。すごく冷たい世界から私達の宇宙は始まったのかなとか、そんなことをよく考えていた時期があったんです。

それで物理の先生にそんな質問をぶつけてみたこともあります。物理の難しい問題を解くのが得意な先生で、この先生ならわかるだろうと思って。そしたら「そんなこと、考えたこともない」って言われました(笑)。

黒田有彩さんの画像

だから今日の平松さんのお話はすごく面白かったです。今まで断片的に知っていた知識が線でつながった気がしました。気になった話はたくさんあったけど、とくにブラックホールの周りの温度が60億度というのが全然実感がわかないというか、すごい温度だと思いましたね。それと平松さんが本当に真剣に重力と温度でどっちが先にダメージ来るかを考えてくださったのが楽しかったです(笑)。

黒田有彩さんの写真

普段生きていると温度ってすごく身近なものですよね。あったかいとか、冷たいとか、暑いとか、寒いとか。そういう感覚で私たちは生きているわけですけど、ひとたび「宇宙の温度」について考えようとすると、温度の概念から考え始めなければならない。「温度とは?」ということからまず見直してみないと、宇宙の温度のことは理解できないわけですよね。そういう根本的なところが違うっていうのが宇宙を考えるということなんだなというのも感じました。宇宙ってやっぱり面白いですよね!

Information

国立天文台
(三鷹キャンパス)

国立天文台 (三鷹キャンパス)

住所:〒181-8588 東京都三鷹市大沢2-21-1
電話:0422-34-3600(代表)
見学時間:午前10時から午後5時(入場は午後4時30分まで)※新型コロナウイルス感染症の感染拡大を防ぐため、当面の間、全ての一般公開事業を中止しているそうです
公式HP:
https://www.nao.ac.jp/

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黒田有彩さん

中学時代、作文コンクールで入賞しNASAを訪問したことをきっかけに宇宙の虜に。宇宙飛行士の試験に必要となる専門分野での“実務経験”を「タレントとして宇宙の魅力を発信すること」と定め、JAXA宇宙飛行士試験の受験を目指している。2017年4月から文部科学省国立研究開発法人審議会宇宙航空研究開発機構部会 臨時委員に就任。Twitterアカウントは@kuroari_rtts

中学時代、作文コンクールで入賞しNASAを訪問したことをきっかけに宇宙の虜に。宇宙飛行士の試験に必要となる専門分野での“実務経験”を「タレントとして宇宙の魅力を発信すること」と定め、JAXA宇宙飛行士試験の受験を目指している。2017年4月から文部科学省国立研究開発法人審議会宇宙航空研究開発機構部会 臨時委員に就任。Twitterアカウント @kuroari_rtts。YouTubeチャンネル『黒田有彩もウーチュー部』
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マガジンど 編集部

あらゆるものの温度について探究していく編集部。温度に対する熱意とともに、あったかいものからつめた〜いものまで、さまざまなものの温度に関する情報を皆さんへお届けします。

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