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森羅万象と百家万説の系譜

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目次
0. はじめに

簡単な年表

1.　ビッグバン・・・真空の揺らぎ　[インフレーション]
2.　素粒子・・・E=mc2　[ゲージ理論]
3.　原子核の形成・・・ダークな質量とエネルギー [宇宙の大規模構造]
4. 恒星・・・宇宙の夜明け　[宇宙背景放射]
5．元素・・・錬金術とは原子核合成 [核エネルギー]
6.　ブラックホール・・・星の誕生と死 [事象の地平線]
7．重原子核・・・原子核だって進化する[半減期]
8．ダークマター・・・重力の支配者 [ニュートラリーノ]
9. おとめ座超銀河団・・・宇宙の大規模構造 [ボイド]
10. 銀河の形成・・・重力井戸に集められた恒星 [スターバースト]

11. 天の川銀河の誕生・・・天の川の源流 [球状星団]
12．天の川銀河の現在・・・小宇宙の構成 [連星]
13．太陽系・・・天空の秩序 [ヘリオスフェア]
14．太陽系の誕生・・・降着円盤 [重力]
15. 地球・・・太陽系の非ガス成分 [コンドリュール]
16. 月・・・ジャイアント・インパクト [潮汐作用]
17. クレーター・・・冥王代の重爆撃　[エアロゾル]
18. 核・・・地球内部の分離 [地磁気]
19. 海・・・地球表面の分離 [超臨界流体]
20．大気・・・地球表面の冷却 [水]

21．プレート・・・テクトニクス前の地殻 [対流]
22. 生命・・・偶然と必然 [階層性]
23. 生命を作る単位分子の生成・・・空と海と海底 [フロンティア軌道理論]
24. 生体高分子の誕生・・・熱水噴出口 [重合]
25. 炭酸同化作用・・・有機物の成長 [触媒]

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簡単な年表

宇宙の誕生　　137.98±0.37億年前

宇宙の初期進化（ビッグバン後）


地球の歴史

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0. はじめに


このメルマガを始めたのは2003年でした。当時から考えると、インターネットは多くの情報をため込み、それを利用して、うまく世の中の知識をまとめるためのAIまで誕生しました。

当初は自分の考えていることを整理して体系化することを目標としていましたが、今や、大量の情報と意見とがあふれた世の中を生きるための自分なりの羅針盤となっています。満遍なく書くために、私が認識しているすべての時間軸に沿って歴史を語り（森羅万象の系譜）、その歴史からポイントを選んで、様々な考え方をまとめる（百家万説の系譜）方法をとりました。表現は日常語にとどめることを心がけました。とはいうものの、正確に知識を伝えるためには専門用語は欠かすことができません。うれしいことにインターネットの検索機能のおかげで、多少、専門的な用語を用いてもすぐに簡単な解説を得ることができます。それでも高度な思想を日常の書き言葉で表現しようという努力は続けています。

当時、流行していたメルマガを執筆の道具とし、また、全体像は自分でHTMLを組んでホームページを作成することで作業してきましたが、もはや時代遅れになっています。とはいうものの、毎週、一区切りずつ、宇宙の誕生から始まって、地球の歴史、生命体の歴史、人類の歴史、それらを現代の視点を交えて現代まで、さらに遠い未来まで、解説する形式は続けるためにとても良い方法です。いままでは、森羅万象の系譜に力点を置いてきましたが、これからは、むしろ、科学的な認識、人生論的な理解について書きたいと思います。現在、理解している内容で、未消化でも次に進み、未来編まで行ってからは、ビッグバンから改訂版を書く。こうして積み上げていけば、全体として自分の哲学や基礎になる知識をもれなく点検できることになる。

私たちは皆、未整理な知識を大量に持っていて、常々、体系的なものにしたいと思っています。学校時代には教科書が知識の体系であったでしょう。社会人になると、職場や家庭、地域社会での活動などの生活の中で得る知識、仕事に関する専門的な知識、読書や趣味など個人的な知識はそれぞれが断片的です。知識の断片が意外な関連を持ってつながったとき、また、概念的な類似性などに気づいたとき、自分の知識体系がすこし拡大するのです。こんな作業は結構面白いと思っていました。上位認識とか転用可能スキルと呼ばれるものです。

何版か重ねるうちに、私がメルマガを利用して行っている趣味は、大げさに言うと、科学が積み上げた知識を活用しながら、新しい「神話＝世界創造」の世界を生み出すことと思うようになりました。かつての宗教の教義・哲学のように、新しい「神話」はできるだけ日常と重なり合う必要があり、生活や社会全体を豊かにする道具となるでしょう。

残念なことに、人類の知識では歴史の空白が何か所かあります。その部分は自分でもっともらしいと思える仮説で埋めました。理系の素養をしっかり固めたという自信を裏付けに、いくつかある仮説の中から、しっくりくるものを選択しています。宇宙の歴史を無理のない仮説で連続的に説明したいという希望の表明です。本小巻は一般的な理論を深く掘り下げるわけではないし、従来と異なるユニークな見解を紹介するわけでもありません。巻末の文献で紹介した素晴らしい方々の努力の成果を一冊にまとめたものにすぎません。

あくまで自分のための作業なので、自分の知っている範囲の事柄を、自分の認識の深さに応じてブロックパズルを組み立てるような、そんなイメージです。大江健三郎さんの言葉を引用します。「不正確に覚えることは、覚えないことよりずっと悪い、というのは父が私に言ったことでした。そして私はしっかりと本から覚えたことを、それも面白く、毎日の会話の中に取り入れることのできる人を尊敬していました。」（「新しい人」の方へ）

+++　人間原理という自己中的な科学理論がある　+++

人間原理は、「宇宙を特徴付ける様々な物理基本量、法則、定数がなぜこの値なのかを説明するには、そうでなければ私たち人類が存在できないからこうなっている、というしかない」という主旨の原理です。言い出したのは宇宙論の大御所ワインバーグです。

物理定数をちょっと変えて計算すると銀河も星も生まれず、従ってこの宇宙には人類も生まれなかったという結論にたどり着く。人類がいないなら、この宇宙について問うものもいないはずだ。とすれば宇宙は、人間（生命）が生まれるように調整されたものではないのか？

これは、神が人間のために宇宙を創造したという解釈に似ています。科学者としては禁断の主張です。ところが、最近では宗教論議とともに「宇宙は知的に設計された」といった主張もかなり盛んなようです。進化論を認めない運動と同根でしょうか。

最新の理論には、マルチバース宇宙論があります。時空には空間のエネルギー場が存在し、それは量子的に揺らいでいる。そのエネルギー場で宇宙の種がエネルギー値の低い所に落ち込んで、インフレーションが起き、ビッグバンが新たな宇宙を生み出す。ビッグバンを引き起こすエネルギーは空間のエネルギー場から供給される。新しく生じた宇宙の物理パラメータは宇宙に固有で、ランダムに選択されるが、ほとんどの宇宙では秩序だった構造は生まれない。そしてたまたま誕生した秩序だった宇宙が、今、我々が生きている宇宙です。

宇宙の外側にあるエネルギー場はいたるところで新たなインフレーションとビッグバンを引き起こすので、泡のように見えることでしょう。泡はぶつかることもあえます。そのときは我々の宇宙に円形の放射として観測されるかもしれません。

1.　ビッグバン・・・真空の揺らぎ　[インフレーション]


今から138億年ほど前、真空の揺らぎから宇宙が誕生した。

ビッグバン仮説では宇宙の最初に特異点がある。特異点での宇宙の大きさはプランクサイズ（10-44秒、10-33 cm）である。プランクサイズではハイゼンベルグの不確定性原理により、エネルギー保存則やアインシュタインの相対性理論が破れる。この大きさでは真空で物質が生じたり消滅したりする（仮想粒子）。

宇宙は誕生直後、10-34 秒後までにインフレーションにより急膨張し、過冷却状態になった。宇宙が前の状態から現在の状態に相転移したときに開放されたエネルギーで宇宙は高温で高密度な状態になった。エネルギーの実体はわからないので、インフラトンと名付け、宇宙が存在した空間をインフラトン場と呼び、宇宙がインフラトン場のエネルギー状態の高い点から低い点に落ちたため、インフラトンがインフレーションのエネルギーに転換され、宇宙に満ちたと仮定した。

一方、インフレーションはアインシュタイン方程式でも説明できる。重力に斥力はなく、引力しかない。しかし、直径が1x10-27 mの極小の空間に詰まったエネルギーが均一である場合、反重力が発生できる。反重力は極小の空間を爆発的に引き延ばしてほとんど一瞬ともいえる短い時間の間に現在の観測可能な宇宙の大きさにすることが推測される。

インフレーションが起こったことで初期宇宙は自己の重力によるブラックホール化を免れた。インフレーションによって急激に膨張した宇宙は、初期の小さな揺らぎをそのまま拡大した。現在、その揺らぎは背景放射のわずかな不均一性と、銀河の分布に偏りがあることに現れている。小さな揺らぎは重力によって拡大され、宇宙の大規模構造を形成した。宇宙背景放射を観測するための人工衛星Planckは2009年に打ち上げられ、その結果が、2013年に公開された。宇宙の組成は、バリオンが4.9%、ダークマターが26.8%、ダークエネルギーが68.3%であった。そして、ハッブル定数は67.15±1.2km/s/Mpcとなり、宇宙年齢は137.98±0.37億年であった。

+++　ビッグバン宇宙は観測と理論から導かれた仮説である　+++

ビッグバンと呼ばれる宇宙の始まりは、虚無の空間の中に突然、強い光とともに爆発が生じたようなイメージです。しかし、初めにあった虚無の空間は人間のうかがい知ることができないため、虚無にしろ、ほかの言葉にしろ、表現することは不適当です。空間も３次元空間なのか、それとも、３次元は生まれた宇宙空間の特長なのでしょうか。また、時間もこのときに生まれたとする説もあります。

膨張するビッグバン宇宙はアインシュタイン方程式の解の一つとして予想され、ハッブルが観測によって膨張していることを証明しました。宇宙の星雲の大部分が地球から遠ざかっていて、遠い星雲ほどスピードが速い。そのスピードから計算すると、100億年ほど前には地球と同じ位置にきます。つまり、星雲のスピードが今と変わらないとすると、100億年前の宇宙は非常に小さい。多くの物質を小さな体積に圧縮すると温度が上がります。また、空間を小さくすると電磁波の波長が縮んで、温度が上がります。当時の温度を、現在の物質の量と密度から推測できます。こうして生まれたのがビッグバン仮説です。より詳細な観測と計算により、宇宙の年齢は138億年と見積もられています。

膨張スピードは星雲までの距離に比例するので、遠い星雲は光速で遠ざかると予想され、その星雲は観察できません。星雲の速度が光速に達する距離を宇宙の地平線と言います。地平線の外側の空間は存在していても、見ることはできません。

宇宙を外から眺めること自体が不可能で、意味がありませんが、人間は宇宙を外側から眺めるというイメージを簡単に作り出してしまいます。宇宙の膨張は爆発して高温の炎が飛び散るのではなく、宇宙の空間がいたるところ、大きくなるというイメージがより正確のようです。素粒子の大きさは変わりません。

+++　場の量子理論　+++

粒子を波としてあらわすとき、波が伝わる場を想定しなければならない。その場を量子力学の要請に従って記述したものが場の量子論です。量子論は粒子のエネルギー値が飛び飛びになるという性質を定常波として説明します。粒子は波動でなければならず、しかも、両端が固定された定常波でなければなりません。固定された両端がなくとも閉じた輪になっていれば定常波ができます。場の量子論は空間が粒子の単位エネルギーの波で埋め尽くされていると考える理論です。空間は空っぽでなく、粒子の波動の素で埋め尽くされ、粒子はその波動が一定のエネルギー以上の値を得た場合に観察される現象です。

素粒子が空間の各点に埋め尽くされていることから、素粒子は生まれたり消えたりしていると考える。すると、加速器の実験で、電子と陽電子を衝突させると、クォークと反クォークが誕生するなどの現象もうまく説明できます。電子とクォークは全く別種類の素粒子です。電子はどこに消え、クォークはどこから現れたのか。電子のエネルギーはクォークに転嫁されたと考える。場が重なっているために、手品みたいな変換が可能になります。

ところで、現在、サイクロトロンなどを使って発見されている素粒子は数十もあります。これらの素粒子すべてに量子場があるとしたら、現在物理学はとてつもなく複雑な量子場を計算しないと物理現象が正確に記述できないことになります。せめて、基本粒子にできないか。ビッグバン直後では数十あった素粒子は現在では５つにまとめられます。光子、ニュートリノ、電子、クォーク（uとd）、グルーオン。これでも十分複雑ですが。なお、クォークとグルーオンは陽子と中性子に閉じ込められ、粒子として出てくることはありません。

波動として波を作るにはある方向に広がりがなければなりません。量子論では計算式でパラメータとして波動が計算されますが、その実態は時空間にあるとおかしなことになります。何しろ基本粒子だけで５つあり、それぞれが量子場を持って我々の宇宙と重なっていなければならない。ということはそれぞれが別の次元で振動していると解釈する。え？

ビッグバンの時は超対称性理論で言うように数十もの素粒子が誕生し、それぞれ別次元を振動する量子場を持っていたのですが、宇宙が膨張してエネルギー密度が下がるたびに素粒子を支えるエネルギーが足りなくなり、その次元が消滅して今の宇宙になりました。今の宇宙は４次元時空間＋最低５つの量子場の次元。てことは今の宇宙は最低９次元なのです。

おっと忘れ物。ダークマターも質量をもった素粒子とすれば、場の量子論で説明されます。ダークエネルギーはあまり粒子のイメージはないから、こちらは置いておきましょう。合計10次元ですね。これでいいのか。ただ、自分的には何となく納得です。

+++　宇宙のゆらぎ　+++

銀河を作ったのがダークマターのゆらぎとすれば、そのゆらぎはどこから来たのでしょう。今のところ、もっともらしいのはインフレーション中のゆらぎです。量子サイズの物質なり、空間なり、エネルギーは平均値の周りで揺らいでいます。量子力学でいう不確定性原理です。インフレーションではインフレーション場が想定されており、その場のゆらぎが膨張の度合いのゆらぎを生み出し、それが空間の曲率がゆらぎ、ダークマターの密度のゆらぎになったと考えられています。

ところで、インフレーションはどんなイメージでしょう。まず、膨張のスピードが光より速い。10E-36秒で10E23倍になるということはビー玉くらいの宇宙が一瞬後に銀河サイズになるというイメージです。銀河サイズは10万光年ですから、光の速さをはるかに超えていることがわかります。

急激な膨張の時には時空がゆらぎ、重力波が作られます。これをテンソルゆらぎと呼びます。この重力波を捉えることがインフレーションの直接の証拠になります。

不確定性原理では位置と運動量の積が1よりも大きいというルールです。要するにゼロ（特異点）を排除する考え方です。エネルギーの幅と時間の幅も同じ関係式になりますので、非常に短い時間であれば巨大なエネルギー密度が許されることになります。これがビッグバンのエネルギーの由来と仮定されているようですが、ちょっと都合がよすぎるように思います。

2.　素粒子・・・E=mc2　[ゲージ理論]


粒子の誕生とともに力（相互作用）も誕生したと考えられている。統一場の中から最初に出現したのは重力である。宇宙誕生の10-38 秒後と推定されている。ほかの相互作用が光子やグルーオンなどの素粒子の交換で伝達されることから、重力を伝達する仮想の粒子はグラビトンと呼ばれている。すべての素粒子に引力（万有引力）として、遮られることなく無限遠まで働くため、マクロの世界を支配している。地球、太陽、銀河系などの天体の運行をつかさどり、巨大な宇宙の構造を作り出している。

重力の誕生後、宇宙のインフレーションが起こり、宇宙誕生後10-34 秒後に完了した。直後の10-33 秒後にクォークを結びつけるグルーオン（強い相互作用）と電弱相互作用(弱い相互作用と電磁気力）と呼ばれる２つの力が出現したと推定されている。超高温状態だった最初期の宇宙ではクォークとレプトン（6種類あるうち、電子とニュートリノが安定）、グルーオンが自由に飛び交う状態であった。クォークとグルーオンのプラズマは気体や液体のような挙動を示した。当時はピンの頭ほどの滴がエジプトのピラミッドと同程度の質量を持つくらい密度が高く、温度も太陽の中心核の100万倍に達した。

宇宙誕生の10-13 秒後には宇宙の冷却とともに真空の相転移が起こった。電弱相互作用が弱い相互作用と電磁気力に分かれた。弱い相互作用は伝達距離が極めて短いために、日常の世界で、その影響を見ることはない。ほぼ同時に、10-13 秒後には真空はヒッグス粒子に満たされ（ヒッグス粒子の海、ヒッグス場）、ヒッグス粒子と相互作用する素粒子（光子以外）に質量が生まれた。クォークやレプトンはヒッグス場と反応し、運動するときに、ヒッグス場によるブレーキを受けることになり、速度が光速以下となった。また、粒子の運動を加速したり方向を変えたりするときには何らかの外力が働く必要がある。

静止質量エネルギーは宇宙が膨張しても小さくなることはない。一方で、光の波長は宇宙が膨張するにしたがって長くなり、すなわち光の持つエネルギーは小さくなった。したがって、物質のエネルギー密度は、宇宙の膨張で体積が大きくなった分だけ下がるものの、光のエネルギー密度に比べればゆっくりと下がる。その結果、宇宙が膨張するほど、物質のエネルギー密度は、光のそれに比べて大きくなっていく。陽子や中性子が誕生したころ（宇宙誕生後１マイクロ秒）、物質のエネルギー密度は光に比べてわずかに数十億分の一であった。

光が満ちた状態、つまり光子気体と呼ばれるものは高い圧力を持っていて、ある領域で密度が高くなれば、それに応じて増大した圧力による反発で、元の密度に戻ろうとする。そのため、光のエネルギー密度のほうが高いうちは重力がいくら頑張っても密度揺らぎは成長できない。

誕生の10-6 秒後、クォークがグルーオンにより結合し、陽子や中性子（クォーク3個からなる）、中間子（クォーク2個からなる）が生まれた。陽子と中性子は中間子を媒介として原子核を形成した。強い相互作用をつかさどる素粒子であるグルーオンは陽子、中性子、原子核に閉じ込められ、これ以後、日常の世界で見ることはない。さらに温度が下がって、ビッグバンの10-4 秒後、宇宙には陽子と中性子、それらの結合した原子核、電子、光子、ニュートリノが基本粒子として残された。宇宙は基本粒子のほかに、ダークマターで満たされていた。できた核子の数は光子10億個に対して1個の割合であった。

宇宙誕生1 分後には陽子と中性子が結合した重水素原子核が安定化して、その後、核融合が進み、軽い原子核が合成された。初期の宇宙では陽子が1個の水素（創生された中性子の数によっては重水素）と、陽子が2 個のヘリウム原子核が大部分を占めている。

+++　日本神話と現代宇宙創生論の共通性　+++

宇宙創生のときに物質と同時に相互作用が出現し、基本粒子や相互作用が、宇宙の温度が下がると消える（見えなくなる）くだりは、古事記の書き出しを思い起こさせます。

天地初めて発れし時に、高天原に成りし神の名は、天之御中主神、次に高御産巣日神、次に神産巣日神、此の三柱の神は、並に独神と成り坐して、身を隠しき。

次に、国稚く浮ける脂の如くして、くらげなすただよへる時に、葦牙の如く萌え騰れる物に因りて成りし神の名は、宇摩志阿斯訶備比古遅神、次に天之常立神。此の二柱の神も亦、並に独神と成り坐して、身を隠しき。上の件の五柱の神は、別天津神ぞ。

初めの３柱の神はクォーク、弱い相互作用、強い相互作用になぞらえるでしょう。誕生と共に姿を消す神は日本神話の独創と思います。日本人は、なぜ、このような神を思いついたのでしょうか。

相互作用のかたちは、場の量子論（ゲージ場理論）にもとづいています。強い力は量子色力学（QCD）、電磁力と弱い力はワインバーグ・サラム理論で記述され、この２つの理論を合わせて「標準模型」とされています。

標準模型では物質を作る素粒子（レプトン、クオーク）とゲージ粒子（グルーオン）の2種類の素粒子を考えています。基本粒子が相互作用するときにゲージ粒子を交換します。

電磁気力を交換するのは光子とされていますが、日常の電磁気現象で電場や磁場を考えると、そこにどうも頭に入りません。超高温における素粒子物理学の世界の話でしょうか。

温度が下がると、素粒子は結合して日常的な粒子を形作ります。我々の見ている、もしくは利用している粒子である原子は少なくとも地球上で支配的な存在です。素粒子は太古の神話の世界の住人です。

+++　対称性の破れ　+++

2008年にノーベル賞を受賞した日本人3名による対称性の破れの解釈についてマスコミで宣伝していたのは粒子・反粒子の数の揺らぎの問題で、1：1で生じたはずの粒子と反粒子がビッグバン直後に対消滅したが、粒子がわずかに多く（対称性の破れ）、現在の宇宙では粒子が支配的である、という説です。しかし、南部先生の理論はそんなことではなく、もっと深遠な思想でした。

自然界に存在する様々な対称性は安定性を求めて自発的に対称性を崩すことがあるという理論です。宇宙の始まりが極めて整然としたものだった。高い対称性があったに違いない。対称性のある状態がエネルギー的に高い状態にあることがある。この状態は不安定なので、自発的に対称性が崩れる。すると、場の量子論から南部ゴールドストーン粒子が発生する。南部ゴールドストーン粒子は質量ゼロの粒子に縦波として加わって、質量を与える。つまり、質量の起源に関する理論です。

陽子の中には3つのクォークがあるが、その質量は３つ合わせて陽子の質量の２％でしかない。残りの質量はクォークのカイラル対称性の破れから生じる。カイラル対称性は鏡像対称である。ビッグバン直後ではすべての粒子は光速で飛び回っていたのでカイラル対称性（スピンの向き）は保たれていた。しかし、宇宙が相転移して粒子と反粒子のペアが凝縮し、空間を埋め尽くした。自由に飛び回っていた粒子は粒子と反粒子のペアとぶつかってスピードを失った。すると、見る方向によって（光の速度は変化しない）スピンの向きが変わる（カイラル対称性の破れ）ことになり、南部ゴールドストーン粒子が発生。粒子に取り込まれて粒子に質量を与えた。ヒッグス粒子はその一例だそうです。

いずれにしろ、宇宙の始まりでは高温高圧で、すべての素粒子が光速で飛び回っていた。この状態は対称性がとても高い状態で様々な対称性が備わっていたのです。が、宇宙が膨張し、温度が下がるにつれて対称性が失われて、質量が生じ、粒子が誕生したと考える。具体的な計算式はわかりませんし、南部ゴールドストーン粒子が発見されたわけではありません。このように解釈すると、粒子の質量について説明できるし、クォークを陽子や中性子に閉じ込めている強い力についても説明できる。

+++　素粒子の運動・生成･消滅は数学で記述される　+++

相互作用のかたちは、場の量子論（ゲージ場理論）にもとづいています。強い力は量子色力学（QCD）、電磁力と弱い力はワインバーグ・サラム理論で記述され、この２つの理論を合わせて「標準模型」とされています。相対性理論による重力場の説明はへこんだ平面としてイメージされます。質量により空間が変形し、その空間を運動する質量(物体)の速度や方向が凹みに応じて影響を受けます。同じように、電磁気学で考察する電場、磁場も同じように空間が変形して、荷電粒子に力を及ぼすとイメージできます。ゲージ粒子を交換することで力を及ぼすのが、日常の電磁気現象などを考えると、どうも頭に入りません。とりあえずは高温における素粒子物理学と捉えています。

3.　原子核の形成・・・ダークな質量とエネルギー [宇宙の大規模構造]


中性子と陽子、電子は光子と結合して液体状態になり、小さな密度の揺らぎが波（バリオン音響振動、baryon acoustic oscillations）となって宇宙を満たした。最初は１：１だった陽子と中性子であったが、中性子は不安定で陽子と電子に分解する。この分解はビッグバン後3分で急激に衰えたがその理由は原子核形成が始まったためである。このとき、陽子の数は中性子の数の7倍になった。

ビッグバン後3分、水素、ヘリウムの原子核が形成された。水素の原子核は陽子1個と中性子を０、１、２個含む３種類がある。また、ヘリウムの原子核は陽子２個と中性子１、２個を含む2種類である。その割合は水素が75%、ヘリウムが25%である。宇宙は原子核と自由電子に満たされ、プラズマ状態であった。ビッグバン後1000秒の間にさらにリチウム、ベリリウム原子核がごくわずか誕生した。

光子のエネルギー密度は宇宙の膨張と共に急激に低下し、通常物質とダークマターの静止質量エネルギー密度に対してついに逆転するのが宇宙誕生後５万年である。宇宙のエネルギー密度の担い手が光から物質に変われば宇宙膨張の仕方も変わる。膨張速度が徐々に減速していくことには変わりはないが、物質のエネルギー密度の低下は光に比べて緩やかなので減速の度合いも小さくなる。同時に、物質と光のエネルギー密度の逆転により、星や銀河の形成の原動力である宇宙の密度揺らぎの増幅が始まる。物質の密度分布はバリオン音響振動によって波の重ね合わせとして生成されたものである。

インフレーションで生まれた密度揺らぎを初期条件として出発すると、小さいスケールの揺らぎのほうが先に成長する。そのため、小さなハローから先にできて、さらにそれが合体を繰り返してより大きなハローに成長していく。こうしてやがて銀河スケールのハローが登場し、さらには銀河団や宇宙の大規模構造につながっていく。そして暗黒物質ハローの中で星々が誕生する。それは銀河の誕生でもある。

銀河は1000万光年程度のスケールで集団を作っている。銀河群や銀河団（群より大きい）はさらに超銀河団を形成している。太陽系の属する天の川銀河は局部銀河群に属する。天の川銀河はおとめ座超銀河団に属する。超銀河団は数億光年の大きさを持つ。宇宙には逆に銀河の存在しない大きな空間がある。銀河の分布を調べると、泡状構造となり、銀河は泡（銀河が存在しない空間。ボイド）の周囲に集まっていることが判明した。

宇宙の大規模構造ができるには、目に見える恒星の物質だけでは重力が足りない。理論に基づいて計算すると構造形成に138億年では足りない。目に見える物質の数倍の質量の暗黒物質（ダークマター）を仮定し、星間ガスや恒星がそこに引き寄せられて星や銀河が形成されたという仮説が生まれた。暗黒物質は重力レンズ効果を利用して間接的に質量や分布を測定する。宇宙における暗黒物質の大規模分布を示すマップをみると、暗黒物質の網目状構造が時間の経過（地球に近づくにつれ）とともに成長し、巨大なボイドで隔てられているようすがみられる。暗黒物質の網目構造に沿って銀河が集中し、暗黒物質の中で銀河が育ってきたという銀河形成論を観測的に検証できた。

インフレーション以後、宇宙空間の膨張は少しずつ減速したと考えられる。最近、遠方の超新星ほど、宇宙の膨脹率が一定であると考えたときの速度よりも大きな速度で遠ざかっているように観測された。すなわち、宇宙空間の膨張は加速している。そこで、新たにダークエネルギーの概念を導入して説明しようとしている。138億光年より先では、空間は光速を超える速度で膨張するので、宇宙の地平線と呼ばれる。膨張のスピードから計算される現在の宇宙は半径 470億光年。空間の一番外側は光速の３倍以上で遠ざかっている勘定である。

ダークエネルギーはアインシュタイン方程式の宇宙定数であると解釈する説がある。その場合、定数なので宇宙が膨張しても宇宙の任意の部分のダークエネルギーの密度は常に一定だ。すなわち、宇宙の空間に常に一定のダークエネルギーが存在すると、宇宙が膨張する限りダークエネルギーは総量が増えていく。これは通常のエネルギーの概念でダークエネルギーをとらえているために起こる奇妙さである。

+++　世界の最初と最後　+++

宇宙の過去と未来を考えると、永遠に流転を繰り返すと考えるか、初めがあり終わりがあると考えるか、初めがあって永遠に流転を繰り返すか、人間の論理では限られたバターンしか考えられません。インド哲学や仏教の世界観は永遠に流転を繰り返すパターンですが、仏教の一派には終わりを想定する考え方もあります。キリスト教などの一神教では初めと終わりを設定する世界観です。神がこの世界を作り出し、最後に神の審判があります。

人間の脳は無限を想定することができるため、世界に始まりと終わりを与えると、どうしても未知の部分を設定せざるをえません。未知の部分を担当するのが唯一絶対神なのか、人間の限界と考えるのかで、考えが宗教的か、科学的かに分かれるでしょう。

現代科学は神を論理的に証明できないために、人間の限界の方を採用しています。科学では時間には始まりを設け（ビッグバン）、終わりについては仮説のままです。空間も宇宙の地平線を想定し、観測不可能な領域を予想しています。そこに「宇宙の果て」があります。

+++　電磁場　+++

電場と磁場が合成されたものを電磁場と呼びます。銅線内を電子が振動すると電磁場が銅線の周りに発生します。電磁場は振動しながら空間を伝わります。これを電波と呼びます。真空中なら光速度で伝わります。電波は波長の長い電磁波です。波長が短くなると、別の名前で呼ばれます。分子がエネルギーを得て振動、回転する場合もその状態の変化により電磁波を発生します。マイクロ波や、遠赤外線、赤外線と呼びます。分子や原子の電子がエネルギーを得て、放出するときに電磁波、すなわち、光が発生します。高速の電子が重金属にぶつかって急に減速するときにX線が、原子核のエネルギー変動によりガンマ線が発生します。この2つの電磁波の波長は同じくらいですが、X線は人工的に発生した電磁波を、ガンマ線は原子核から発生したものを言います。

電磁波が物体にぶつかると、そのエネルギー（波長）により、物体が変化します。電波は物体に自由電子があるとき（金属であるとき）、自由電子を振動させ、電流を発生します。アンテナの原理です。自由電子がないと、熱エネルギーになります。赤外線やマイクロ波の場合、分子の振動や、分子を構成する原子の振動を引き起こし、熱になります。光は分子や原子に含まれる電子のエネルギー凖位を高くします。その結果、化学反応が起こることがあります。X線、ガンマ線の場合は電子を弾き飛ばして、化学反応を起こします。X線、ガンマ線のエネルギーが強い場合ははじき出された電子が高いエネルギーを持つために、広範囲で化学反応を起こします。

電磁波は光子とも表現されます。光子は粒のイメージが強く、波のイメージと相容れない面があります。しかし、光子は物質ではありません。エネルギー量子が発見されたとき、それは光のエネルギー、波長として表現されました。そのため、光も粒子のごとく、光子として表現されたためです。

携帯で話ができるのは電磁誘導の仕組みを利用するからです。私が今書いた文章もコンピュータから電波に乗ってルータに入り、インターネット上のマグマグ・サーバーに格納されます。

4. 恒星・・・宇宙の夜明け　[宇宙背景放射]


宇宙誕生から約 38万年後に温度が約4000K（Kは絶対温度）に冷えると、電磁気力により原子核の周りに電子が捕らえられ、原子が形成された。これを宇宙の中性化と呼ぶ。すると、自由電子に吸収されたり放出されたりして直進できなかった光が妨げられずに進むことができるようになり、宇宙は透明になった（晴れ上がり）。当時の宇宙の大きさは現在の1000分の１と見積もられる。水素原子から放出された波長21cmの電波が宇宙を満たした。現在では2.7Kの宇宙背景放射として観察される。

放出された電磁波は宇宙に充満した水素分子に吸収され、また、光を吸収した水素分子は光を放出して平衡状態になった。恒星が誕生すると、恒星が放出する光によって平衡が崩れる。崩れをマイクロ波の吸収強度として検出できると考えられる。観測の結果、宇宙誕生後1.8~2.5億年の間に水素分子が形成され、そのあとに恒星が誕生したことがわかった。

ビッグバンから3億年後に太陽質量の1%程度の小さな原始星が形成された。原始星は周りのガスを集めて成長し、太陽質量の20倍くらいになると、激しく輝き始めた。光の圧力で成長が抑制され、太陽質量の40倍程度で成長が止まった。別のシミュレーションでは太陽質量の100倍に達する巨大な恒星を予想する。最初の恒星は第一世代と呼ばれる。第一世代の星はほぼ水素から成り、太陽のような重元素を含む星に比べて巨大で温度が高く、よりたくさんの光子が放射される。

宇宙空間に残された水素原子は星からの紫外線によって電離した。ビッグバンから約5億年後のこの過程を宇宙の再イオン化と呼ぶ。再電離が半分まで進んだのは宇宙背景放射の分布からビッグバンから7億年後と推測される。このころには初期の恒星形成や、銀河、ブラックホール形成が終わっていたと考えられる。現在、観測できた最古（最遠方）の銀河は宇宙が誕生してから約3億年（135億光年先）のクエーサーである。やがて、銀河が形成されるにつれ、宇宙空間から水素原子が少なくなった。120億光年より遠いクエーサーの光のスペクトル分析により、水素原子が宇宙空間から検出されなくなるのはビッグバンから10億年後と見積もられた。宇宙の夜明けと呼ばれる。

例えば、GN-z11銀河は今から134億年前に発した光がようやく地球に届いているが宇宙は膨張している。膨張分を差し引くと光が発したころはGN-z11銀河までの距離は約30億光年だった。地球はまだ存在していない。光が来る間に宇宙は膨張し、134億年かけて地球に届いた。現在、GN-z11銀河と地球の距離は約314億光年に伸びている。

100億年以上の過去になると相互作用銀河やスターバースト銀河などの特異銀河が目立って増える。

+++　測定は系に影響する　+++

温度は粒子の運動エネルギーです。電子と原子核が分離するような温度は測定できません。なぜなら、物質である温度計が使えないからです。高エネルギー粒子は運動エネルギーを温度に換算します。素粒子で使われる運動エネルギーの単位はeV（エレクトロンボルト）で、１Vの電位差によって電子が得る運動エネルギーです。大雑把に温度に換算すると、１eVは1000 K （絶対温度）に相当します。変換定数はボルツマン定数です。そして、粒子の運動エネルギー（エネルギー準位とも言う）が変化するとき発生する電磁波の色から運動エネルギー、すなわち、粒子の温度を推定します。光は電子のエネルギー順位が変化する時に発生し、物体は数百度から数千度の範囲で可視光線を出し、原子の運動エネルギーに依存した色の光が発生します。

温度が低く、物質の温度が原子や分子の運動エネルギーで測定できる場合、物質は可視光を発生しませんので、閉鎖した物体の物理量に換算して温度を測定します。たとえば、赤く着色したアルコールの体積などがよく使われます。温度が高いとアルコールの体積は増え（アルコールの分子運動が高まるためと説明されます）、温度が低いとアルコールの体積が減ります。細い均一な太さの管に入ったアルコールはその長さで体積を、すなわち温度を測定できます。温度計の原理です。また、半導体が持つ温度によって電気伝導度が変化する性質を利用しても温度を測定でき、最近ではこちらのほうがデジタル技術と相性がよいので普及しています。

温度を測定するには、その物体に温度計を差し込まなければなりません。差し込む温度計の温度より温度が高い物体の場合、温度計を入れることで温度が少し下がります。逆に、温度が低い場合は温度が少し上がります。厳密に正確な温度を測定する場合は温度を測る行為そのものが対象の温度を変える可能性を正確に評価する必要があります。もしくは、測定による対象の変化がごく小さく、例えば99%以上（この量も測定するという行為の目的による）は正確であるという予想の元で測定行為は計画され、解釈しなければなりません。

素粒子を観測する場合も例えば光子をぶつけてその反射で観察します。このとき、光子との相互作用により、素粒子の運動が変化します。ぶつかった瞬間の状態はわかりますが、その後の運動はわかりません。つまり、測定が系に影響したと言えます。

測定する行為が対象に影響するのは、温度や物理学の測定に限りません。世論調査をするときはアンケートを行います。例えば、全校生徒を対象としたアンケートなどでは、質問内容とその順番により、回答者の考えが変わるかもしれないことを想定する必要があります。アンケートを計画するときはこれらの点について注意する必要があるし、測定結果（アンケート結果）を解釈するときも同様です。

+++　不確定性原理　+++

電子のエネルギーは飛び飛びの値しかとらない。この測定結果を説明するために波動関数が導入されました。電子は原子核の周りを惑星のようにまわっているというのが高校生レベルの知識。ところが大学では電子の運動は波動関数によってあらわすことができると学びます。その考え方には驚きました。すなわち、波動関数は波なので、定常波ができたときだけが安定するという。固定された両端を持つ波は節の数が整数倍になるときに安定します。これが電子の取りうるエネルギー値で、ℏνがその単位です。ℏはプランク定数、νは固有振動数です。シュレーディンガーの波動方程式は量子力学（大学時代、私は量子化学を受講しました）の基本の式ですが、電子の存在確率を示す式として導入されました。

シュレーディンガーの波動方程式は確かに電子の原子核の周りの存在確率を与え、エネルギー準位による電子の波動の形を示します。しかし、電子の粒子性については説明できなかったので、ハイゼンベルクの行列方程式のほうがより正確な解を与えると説明していました。私は行列方程式の方は学びませんでした。

エネルギー準位の単位は電子の位置と運動量の変化率の積にも表れ（ハイゼンベルクの不確定性原理）、電子の位置が固定すると運動量が無限に大きくなるという現象を引き起こします。電子の位置を測定しようとすると運動量に影響を与えるという、説明しか覚えていなかったのですが、例えば、原子核の周りをまわっている電子が原子核に落ち込むと、位置が狭い範囲に固定されるので、電子の運動量が増えて飛び去ってしまう。電子が原子核に落ち込めないことを保証する原理であるという。

原理というのがアプリオリに降ってくるので、量子力学なども近似の学問のように感じましたが、もちろん、その難解な数学は理解できません。ただ、このようにイメージが伴う形で説明してもらえると少し親近感がわきます。

電子は粒子であり、かつ、波動であるという量子力学の解釈は場の量子論によって説明されます。

5．元素・・・錬金術とは原子核合成 [核エネルギー]


恒星の一生は進化と呼ばれる。宇宙で最初に誕生した第一世代の恒星群は、宇宙が現代に比べて小さく、材料となる水素やヘリウムの濃度が高かったので、質量も桁違いに大きい。重力によって水素ガスが凝集し、中心部が1000万度を超えると、核融合反応がスタートした。

初期宇宙の水素の原子核は陽子単独が6に対して、中性子を含む重水素が1の割合であったと考えられる。重水素は２つの水素原子核（陽子）からも作られる。２つの陽子が衝突すると、一つが陽電子とニュートリノを放出して中性子に変わる（ベータプラス崩壊）。陽電子は周囲にある電子と対消滅して熱エネルギーに変わる。こうして陽子と中性子からなる重水素原子核ができる。重水素原子核に水素原子核である陽子が結合するとヘリウム３原子核（陽子２個と中性子１個）ができる。ヘリウム３原子核同士が核反応してヘリウム４原子核（陽子２個と中性子２個）と、２個の水素原子核（陽子１個）ができる。

ヘリウム原子核は最初の核融合反応の燃えかすとして恒星の中心にたまり、その外で水素原子核は核融合反応を続けた。やがて、水素原子核が少なくなり、核融合反応が弱くなると、温度が下がった。温度が下がると中心核が重力で収縮し、温度と圧力が上昇する。そしてヘリウムの核融合反応が始まる。ヘリウム原子核３個が炭素原子核（陽子数６個）１個に変わる。さらに、炭素原子核とヘリウム原子核から酸素原子核（陽子数８個）ができる。続いて、炭素が核融合反応を起こす。

炭素原子核２個からネオン（陽子数10個）、ナトリウム（陽子11個）、マグネシウム（陽子数12個）等の原子核ができる。さらに核融合反応が進むとケイ素（陽子数14個）、鉄（陽子数26個）などの原子核ができた。

恒星の内部で主要な核融合反応が終わり、熱の発生がなくなると恒星の芯は収縮する。収縮すると温度が上がり、次の核融合反応が始まる。段階的に恒星の内部は高温・高圧になる。あとになってできる原子核ほど重いので中心にたまり、年老いた恒星の内部は、鉄を中心に何層かの層状になった。

原子番号が大きくなると、原子核どうしのクーロン斥力（同じ電荷を持つ粒子が互いに反発する力。原子核は陽子のプラス電荷を持っている）が大きくなるため、核融合反応が起こりにくくなる。核融合反応で生成し得る元素は原子番号26である鉄が限界である。すなわち、第一世代の恒星の内部では鉄の原子核までが作られた。

宇宙誕生後、数億年で第一世代の恒星群は超新星爆発を起こし、ブラックホールになった。超新星爆発のエネルギーは核融合反応で作り出した比較的軽い原子核を宇宙空間に放出した。また、爆発の熱と圧力で鉄より重い原子核を作りだした。

第一世代の恒星が超新星爆発して重い原子核がばらまかれるとガスの温度は低下した。比較的低温になったガス雲は小さくちぎれてそれぞれが恒星になった。その後は第一世代の恒星のような巨大な恒星やブラックホールは形成されなくなった。ブラックホールは比較的大きな恒星が超新星爆発する時に重力崩壊して形成されるようになった。質量はせいぜい太陽質量の10倍程度である。

+++　原子核反応は核融合と核分裂　+++

核融合反応は原子核のクーロン斥力を凌駕するエネルギーで原子核を押し付ける必要があるため、高温（素粒子にとっては運動エネルギー）が必要です。恒星の中心部では高圧によって原子核密度が高いため、比較的低温でも核融合反応が起きますが、地球上では10倍から100倍高い温度を達成する必要があります。

複数の原子核が一つの原子核に変化する核反応は核融合反応、逆に一つの原子核が複数の原子核に変化する反応は核分裂反応です。ウラン253の核分裂では質量の0.0009%がエネルギーに変換され、水素原子核がヘリウム原子核になるまでに質量のおよそ0.7%がエネルギーに変換されます。

核分裂は大きな原子核が自発的に分裂する反応です。一定の確率で分裂するので、何もする必要はありませんが、中性子を打ち込んで原子核を不安定にし（不安定な同位体に変換し）、核分裂を促進させることができます。ウランやプルトニウムの核分裂では副産物として中性子も生成しますので、連鎖的に核分裂を起こすことができます。

発生した中性子がどの原子核にも吸収されずに外に出て行けば、連鎖反応は起こりません。核物質のサイズが大きくなると、1回の核分裂で発生した中性子が必ず複数の原子核の核分裂を誘導するので、連鎖反応が起こります。連鎖反応が起こる最少量を臨界と呼びます。原子炉では中性子を吸収する物質（吸収して同位体になっても性質が変わらない物質）を核燃料の中に入れて、核反応を制御しています。

実用化されている原子炉は、ウランやプルトニウムの核分裂反応を利用したものです。核融合反応のほうは、核兵器（水素爆弾）に利用（という言葉が適切かどうか微妙なところですが）されているだけです。核反応は化学反応に比べて大きなエネルギーを取り出すことができます。

+++　放射性廃棄物処理は原子力発電のコストを上げる　+++

原子力発電は公害を起こさないクリーンな発電であると宣伝され、全国の30％もの電力を担っていました。しかし、東日本大地震以降、安全性と放射性廃棄物がクローズアップされて停止状態です。安全性は問題ないとしても、これから核廃棄物の処分費用が発生してきます。廃棄物を管理しなければならない時間は10万年程度とされ、原子炉の運転寿命を遥かに越えます。単純に考えると、原子力発電を続ける限り、廃棄物は蓄積する一方となります。原子力施設を廃止したあとも保管廃棄（隔離して保管する）する必要があり、費用が巨額なのは同じです。

核燃料を封じ込めるために被覆燃料粒子が考案されています。核燃料物質をセラミックス内に固め、さらに、中性子の速度を減速する炭素を多く含む層で被覆してあります。発生する放射能は被覆層によって熱に変換されます。大きさは直径1 mmから小石サイズまで。被覆の硬度が十分であれば核燃料の取り扱いが楽にできます。相当な高温になりますから、ボイラー、発電のための熱源、蒸気機関に使えます。

被覆層は放射能で痛み、ガンマ線が漏れ始めます。定期的に取り出して被覆と発生温度を検査し、核分裂反応が終了しているようであればそのまま保管廃棄します。核燃料だけでなく、高エネルギー廃棄物も同じように利用可能です。一粒一粒が原子炉です。この方法は結構実用的な核廃棄物の応用例でしょう。核廃棄物から重原子核の成分を取り出して被覆して燃料粒子とします。被覆を修理しながら使えば数万年は持つはずです。

一家に１個で、発電のほか、いつでもお風呂や暖房を楽しめます。ラジウム温泉ならぬ高レベル放射性廃棄物温泉。いずれにしても安全な封入技術と、２-３年に１回の定期点検が必要です。車の車検と同じ考えかたです。

おそらく、太陽光エネルギー（光だけでなく、関連エネルギーを含む）だけでは人類の現在の生活レベルを維持できず、化石燃料を使うと温暖化が行き過ぎて人類の未来はない。また、化石燃料には限りがあります。補助的に核エネルギーを使うのがよいと思います。現在の巨大で複雑な原子炉で核エネルギーを使うのはリスクが大きいので、リスクを分散するアイデア。いかがでしょうか。

6.　ブラックホール・・・星の誕生と死 [事象の地平線]


星間ガスから恒星ができるとき、水素、ヘリウムだけだと形成途中でガスの温度が上がり、大量の質量がないと星になれない。第一世代の星は太陽の100-1000倍の質量と考えられる。第一世代の大質量星の鉄のコアは50-100億Kに達すると、放射される光のエネルギーが原子核をまとめるエネルギーに達し、光によって核分裂が起こる。鉄原子核はヘリウムと中性子に分解するが、この反応は吸熱反応である。温度低下に伴い、急激にコアからの圧力が低下して星の外層が中心に向かって落ち込む。核融合反応が一気に加速して星の外層が吹き飛び、超新星爆発が起きる。

大質量星の場合、高い圧力で電子が陽子に吸収されて中性子となる。電子捕獲と呼ばれるこの現象では陽子を構成するアップクォークがダウンクォークに変化し、電子ニュートリノが放出される。中性子のみを含む星を中性子星という。さらに質量が大きいと中性子として形を保つことができず、コアが強い重力で内側に落ち込む。これを重力崩壊と言い、コアはブラックホールに凝縮する。

第一世代の超新星爆発の爆風（重力波）は周りのガスを吹き飛ばし、恒星間ガスを圧縮し、多数の第二世代の恒星を生み出した。超新星爆発で周りに飛び散った重元素は微量でも星の形成や構造に大きな影響を与える。重元素は赤外線を放出する量が水素、ヘリウムより多い。重元素を含むと比較的少ない量のガスでも星にまで収縮可能になる。重元素は星が形成されるときに冷却材として働き、熱による膨張を抑制する。第二世代以降は比較的、軽量の恒星が誕生するようになった。

第二世代の恒星は、重原子を含むため、質量が第一世代と比べて小さく、長寿命である。金属元素の乏しい恒星として、現在、銀河周辺にある星団などで観測される。第二世代の恒星のうち、質量の大きな恒星が超新星爆発の最後を遂げると多量の重原子核が宇宙に供給された。この後にできた恒星は比較的金属元素を多く含み、第三世代の恒星と呼ばれる。太陽は第三世代である。100 億年前の銀河を観測すると星間ガスの重元素の含有量が非常に少ないことが確かめられた。同時代の銀河には大量のダストと重元素を蓄えている銀河も観測されている。

+++　ブラックホール　+++

ブラックホールは強い重力のために物理学的法則が及ばない空間を作り出します。事象の地平線の内側です。そこに宇宙の果てがあるイメージです。現実に存在する無限大です。無限大は有限の物質を極小の空間に押し込めることで発生しました。別名「特異点」です。ブラックホールの中は現代の物理学では説明不可能なので様々な解釈が可能でしょう。

ブラックホールは究極の存在として宇宙の運命を左右するようです。ブラックホール自体は観測できません。重力が非常に強く、光すら脱出できないためです。しかし、ブラックホール周辺のガスがブラックホールに吸い込まれる時、重力により加速されて強い光を出します。代表例はクエーサーです。クエーサーはきわめて遠くでも見えるため、その光のエネルギーは莫大であると考えられており、そのエネルギー源としてブラックホールが考えられています。

天の川銀河を含むほとんどの銀河は、中心に巨大なブラックホールを持っています。ただ、それらのすべてが超高温ガスに囲まれているわけではありません。ブラックホールの約90％は周りに吸い込む星やガスがないと推測され、その場合、不活発な休眠状態です。しかし、星が近づき過ぎると目覚めます。恒星がこの不運に襲われた場合、恒星がブラックホールの重力井戸に落ち込み、渦巻き状に引き伸ばされ、大量のエネルギーと光を放射して消滅します。

地球から約120億光年離れている巨大なブラックホールが発見されています。桁外れに明るいクエーサーであることから、背後にあるブラックホールも巨大であり、太陽30億個分を越える質量を持つと推測されています。このような巨大なブラックホールができるのはビッグバンからおそらく1億年後くらいの第一世代恒星の超新星爆発の後と考えられます。当時の銀河は、最大で今の1000倍ほどの密度だったため、銀河の核が合体したか、銀河サイズの大量のガスがそのままブラックホールに成長したと考えられます。

+++　宇宙最大のダイアモンド　+++

太陽より少し小さな恒星はさらに小さな原子番号の原子核までしか核反応が進まず、その元素を主成分とした核を持つ白色わい星になります。炭素程度までしか核反応が進まない小さな恒星は、白色わい星になるころには大量の炭素が高圧高温で圧縮されることになります。これが冷えると、巨大なダイアモンドができあがります。人類の知る一番大きなダイアモンドは、地球からおよそ50光年かなたのケンタウルス座にあります。推定直径は4,000km。炭素でできた核の周りに水素とヘリウムの薄い層がある白色わい星です。星の振動のようすを調べることによって、内部に炭素の結晶があることがわかりました。さて、値段はいくらになるでしょうか。

+++　元素　+++

万物の根源を仮定して森羅万象を説明する哲学が成立すると、その次は万物の根源物質の探索になります。精錬、精製、純化、抽出。いずれも物理化学的な操作を表現する言葉で、鉱物から金属を、植物などから薬効成分を取り出す操作を意味します。混合物から一つの要素を取り出す作業なので、エントロピーを下げる、またはエネルギーを消費する作業です。不純物を取り除く操作なので、社会的にもプラスのイメージを持ちます。取り出された成分は高貴で、効果が高く、貴重なものとして珍重されます。

中世の錬金術師が考案した物質の抽出技術は、物質を混合して生じる沈殿物を集めたり、逆に除いたり、水にさらしたりします。土に埋めたり、醗酵(腐敗?)させることも行われました。画期的だったのは蒸留の技術で、アランビークと呼ばれる蒸留器を用いて有機物の溶液から揮発性の高いアルコール類(いずれも匂いの素)が取り出されました。

さまざまな化学反応を整理する上で重要な発見は、酸と金属を混合すると水素が発生する反応です。発生する気体が呼吸している空気とは異なることから、水素と命名されました。この反応は中学の理科でも有名です。これを契機に18世紀後半には窒素、酸素などの次々と気体が発見されました。さらに、その反応を観察すると、反応する物質の重さ、できた物質の重さを数学的に解析すること(定量的な解析)で、化学反応に一定の比例規則があることが明らかになりました。ラボアジエはこの法則を質量保存の法則として、また、ドルトンは根源物質をイメージして元素、原子、分子の概念を整理しました。

7．重原子核・・・原子核だって進化する[半減期]


超新星爆発のとき、大量の中性子が発生する。中性子は電荷を持たないため、クーロン斥力が働かず、周囲の原子核と衝突して吸収されやすい。中性子が過剰となった原子核は不安定となり、過剰な中性子が電子とガンマ線を放出して陽子となり、原子番号を一つ増やす。これをベータ崩壊という。この繰り返しで、短時間に鉄原子核より重い重原子核が大量に生み出された。通常の教科書ではこのような記載であるが、重い原子核はなかなか合成されない。今までの知見をまとめておく。

これまでの元素合成はビッグバンと星内部での核融合反応で起こった。ビッグバンでは大量の水素とヘリウムが生まれ、微量のリチウムが含まれていた。恒星が誕生すると核融合反応で炭素や窒素など、非金属原子核を中心に、ヘリウムから鉄（原子量26）までが作り出された。さらに老齢期の赤色巨星の核内では中性子の豊富な状況が長く続いて鉄以降の原子核形成が進んだ。ストロンチウム（原子量38）からビスマス（原子量81）までが形成されたと考えられる。

超新星爆発ですべての核種が誕生するわけではない。重力崩壊型の通常の超新星爆発では酸素、ナトリウム、塩素、炭素などの軽い核種からルビジウム（原子量37）が形成される。Ia型超新星爆発と呼ばれる二重星系で、伴星からの降下物により定期的に超新星爆発を起こす星ではカルシウム、硫黄、ニッケル（原子量28）、銅（原子量29）などが誕生した。特にX線バーストと呼ばれる中性子星でのIa型超新星爆発ではストロンチウム（原子量32）、ルビジウム（原子量37）、モリブデン（原子量42）など。鉄（原子量26）より重い核種を記載した。

最も重い元素が生成される現象と思われるのは中性子星同士の衝突合体で、プラチナ（原子量78）、金（原子量79）、ウラン（原子量92）が形成される。これは推測だが、超新星爆発で直接ブラックホールが形成されるとき、ブラックホールができる直前に中性子の外核が吹き飛んで重原子核ができるのではないか。

+++　アイソトープ　+++

ひとことで言うと原子は、宇宙のすべてのものを構成する目には見えない小さな粒のこと。カリウム、鉄、酸素、炭素などたくさんの種類があって、それぞれ化学的な特徴があり、自然界のあらゆる現象を引き起こしています。カリウム、鉄、酸素、炭素などは元素と呼び、陽子数が同じ原子核で構成されます。元素の中に、化学的性質は同じでも、重さが少しだけ違う原子があります。これらの原子を同位元素（アイソトープ）と呼びます。

化学的性質は原子核の周りを巡る電子の性質です。同位元素は電子の数は同じ（陽子の数もおなじ）で、中性子の数が異なる原子です。

自然界には、ウラン、ラジウム、カリウムなど約90種類の元素があり、人工的に作り出された元素を含むと118種類になります。一方、同位元素は原子炉などで人工的に作り出されているものを含めると約2,000種類以上もあります。

+++　ラジオアイソトープ　+++

同位元素の中には原子核が不安定なものがあり、安定な原子核に変わろうとします。その時に放射線を放出します。放射線を出す同位元素を放射性同位元素（ラジオアイソトープ）と呼びます。2000種の同位元素の大部分がラジオアイソトープです。ちなみにラジオアイソトープを含んだ物質を放射性物質、放射線を出す能力を、放射能といいます。

放射線にはアルファ線、ベータ線、ガンマ線があります。その他にはＸ線、中性子線、宇宙線などがあります。放射線にはそれぞれの種類に特徴的な性質があります。

アルファ線はヘリウムの原子核です。アルファ線を放出すると、そのラジオアイソトープは原子番号を２減らします。ベータ線は電子です。ベータ線は中性子から放出され、その中性子は陽子になるため、原子番号が１増えます。ガンマ線は光子です。つまり、光と同じですが、エネルギー値が非常に高い。同じ高エネルギーの光にX線がありますが、ガンマ線は原子核から放出される高エネルギー光、そのほかの高エネルギー光をX線と呼びます。

中性子線は中性子です。不安定な原子核が分裂するときに放出されます。宇宙線はそのほかの原子核や中間子からなります。

放射線はラジオアイソトープによって放出確率が決まっていて、時間とともにラジオアイソトープは放射線を放出して安定な核種になります。ラジオアイソトープがちょうど半分になる時間を半減期といいます。鉱物などの年代測定に利用されていて、ラジオアイソトープと娘核種の比率からその鉱物が形成された年代を算出できます。

8．ダークマター・・・重力の支配者 [ニュートラリーノ]


初期宇宙に充満したダークマターに10万分の1程度の密度の揺らぎが生じ、揺らぎは重力により成長してバリオンを集めた。ダークマターの集合体は銀河をハローとして取り巻いている。銀河を取り巻くダークマターは球形である。原子が形成された後、ダークマターの重力井戸は水素原子やヘリウム原子を集めた。水素とヘリウムのガス体は重力によりさらに凝縮し、恒星を形成した。恒星が終末を迎えて超新星爆発をすると、そのショック波により、周りのガス雲は濃縮され、さらに多くの恒星が誕生した。誕生した恒星はダークマターの作る重力井戸に落ち込んで集合し、いくつかの銀河を形成した。ダークマター内で形成された銀河は自転により円盤状になった。

宇宙の大銀河の中心には太陽質量の100万倍から10億倍の質量を持つブラックホールが潜んでいる。これらのブラックホールはビッグバンから10億年の間に巨大なガス雲が直接重力崩壊することで形成された。ガス雲の重力崩壊（濃縮）の条件としてガスが高温で主成分は水素である必要がある。太古の巨大質量ブラックホールはクエーサーとして観察される。

やがて、第一世代の恒星が超新星爆発して重い原子核がばらまかれるとガスの温度は下がり、比較的低温になったガス雲は小さくちぎれてそれぞれが恒星になった。その後は太陽質量の10倍程度の恒星が超新星爆発の時に重力崩壊する小さなブラックホールが形成されている。

誕生後20億年までの宇宙にはLyman-alpha blobs (LABs)と呼ばれる銀河サイズの光る水素ガスの塊が観測される。中心にブラックホールを抱えていて、その中に落ち込む物質によって輝いて見える。LABsのサイズは現在の銀河の大きさである。LABsは銀河へと発展したと考えられる。宇宙の進化にLABsを想定しないと、現代の銀河のサイズがとてつもない大きさになってしまう。宇宙誕生後30-40億年までにLABsの中で第二世代の恒星の形成が終了したと考えられる。

銀河の星形成率は、星を作る材料となる物質の総質量に伴って変化する。宇宙初期から現在にかけて、星形成率が次第に低下している。宇宙初期の銀河でも、星形成率は銀河の質量に伴って増加し、しかもその効率は現在よりも 20 倍以上高かった。銀河中心に観測されるクエーサーをブレーザーと呼ぶ。ブレーザーのガンマ線の減弱の様子を2億光年から116億光年の範囲で調べると97～107億光年の間でもっともガンマ線が弱く、星の誕生が多いことがわかった。その量は現在の10倍になる。すなわち、ビッグバン後、30～40億年後に星の誕生のピークがあった。最近の観測結果から、ビッグバンから40 億年の若い宇宙では、大質量銀河で星形成活動が最盛期にあり、星は予想外に高い形成率で生まれたことが示唆されている。

中規模のブラックホールを含めて銀河の中心のブラックホールの質量は銀河のサイズと相関関係がある。したがって、ブラックホールは銀河の衝突により合体するか、周りの恒星を吸収することで成長するシナリオが考えられる。その過程にダークマターの影響が考えらえる。

1990年代のIa型超新星を使った遠方銀河の距離と後退速度を観測する国際プロジェクトの成果により、宇宙は誕生以来、ずっと膨張を続けていることが明らかになった。初期は膨張速度が少しずつ遅くなっている。宇宙の質量による引力が働いて、宇宙空間の膨張にブレーキがかかるので減速膨張となる。ところが、70億年前から宇宙は減速膨張から加速膨張へと転じた。そのエネルギーの源と仮定されているのがダークエネルギーである。

+++　ダークマター　+++ 　

重力相互作用だけが働く物質で、素粒子としての正体は解明されていません。その中で現在の宇宙で観測される銀河のような構造を作ってきたという理論「低温ダークマターモデル」があります。これが、宇宙の大規模構造形成を記述する標準的なモデルとして広く受け入れられています。

最新の「低温ダークマターモデル」によると、普段我々が目にする原子や分子のようなバリオンと呼ばれる物質と比べ、全宇宙におよそ5倍の質量で存在すると考えられています。それが、宇宙の重力的な構造形成、進化に重要な役割を果たしてきました。ダークマターの重力によってバリオンが集まり、現在観測される多種多様な銀河が生み出されてきたと考えられています。

ダークマターは通常の物質と電磁相互をしません。ダークマターの本体として考えられている候補のひとつはニュートラリーノ（neutralino）と呼ばれています。ニュートラリーノは超対称性理論が予測する粒子で光子、ウィークボソン、２つのヒッグス粒子に対する超対称性粒子の総称で、最も軽いものが安定です。理論から予想される量がダークマターの存在量によく合うことからダークマターの候補になりました。

また、初期の宇宙でエネルギー密度が高かったころにエネルギーの密度揺らぎによりエネルギーの高い部分がつぶれてブラックホールになることが考えられるそうです。その場合、地球の質量程度の小さなブラックホールが作られ、ダークマターの1つの候補になっています。ところでダークマターはブラックホールに吸収されないのでしょうか。

+++　古い星　+++

ひとつは、私たちの銀河系の中にある「SMSS J031300.36-670839.3」（SM0313と略されることがあります）という星で、太陽系から約6000光年ほどのところにある星です。非常に近いところにある天体なので、調べやすく観測には適しています。

なぜ、銀河系内の天体から、宇宙の年齢がわかるのでしょうか。実は、このタイプの天体は、以前から古いと考えられていたのですが、観測によって正確にそれがわかるようになったのです。

今回見つかった天体は、ヘリウムより重い元素があまり含まれておらず、宇宙誕生直後にできた第一世代で合成された元素のガスを材料に誕生したことがわかってきました。そして第一世代の恒星自体の様子もわかってきました。

このような天体は、宇宙の初期に形成された種族IIと呼ばれる天体です。種族IIの星は、銀河の周辺にたくさんあることがわかっていたのですが、その実態がやっと解明されてきたのです。種族IIの星は、宇宙ができて1億年ほど後の天体ではないかと推定されていますが、年齢はまだ正確には決まっていません。

もう一つは、HD 140283で「メトシェラ」と呼ばれているもので、地球から約190光年のところにあります。メトシェラは、もともとは私たちの銀河の周辺（ハローとよばれています）にあった小さな銀河（矮小銀河）が、私たちの銀河に衝突したとき、私たちの銀河に取り込まれたと考えられています。メトシェラは、秒速169.0kmで太陽系に近づく運動（固有運動）をしています。この運動が正確に決まると、星の年齢を決める精度が上がります。

9. おとめ座超銀河団・・・宇宙の大規模構造 [ボイド]


宇宙初期の密度の揺らぎを反映して質量の分布は泡状構造となった。すなわち、銀河は銀河が存在しない巨大な空間（ボイド）の周囲に集まっていることが判明した。銀河の集合状態から銀河群、銀河団、超銀河団と名付けられている。

太陽系の所属する天の川銀河が所属する銀河群を局部銀河群と呼ぶ。最も大きい銀河はアンドロメダ銀河で、最も重い銀河は天の川銀河である。両銀河の周辺には、その重力に引かれて、多くの伴銀河が存在する。差し渡し1000万光年の範囲に50ほどの矮小銀河を含んでいる。天の川銀河は理論的には220個、最近の観測では500個の矮小銀河を伴っていると推測されている。

局部銀河群に最も近い距離にある銀河群は彫刻室座銀河群やマフェイ銀河群であり、700万～1000万光年ほど離れている。近隣にはおおぐま座のM81銀河群、M101銀河群、りょうけん座のM51銀河群、ケンタウルス座A・M83銀河群などがある。

5000万～7000万光年ほど離れたところにおとめ座銀河団がある。おとめ座銀河団には1300~2000個の銀河が含まれており、差し渡し1500万光年、中心にM87銀河と呼ばれる巨大な楕円銀河がある。M87銀河の中心の巨大ブラックホールが写真にとられたのは2019年であった。これら全てがおとめ座超銀河団に含まれる。

局部銀河群はおとめ座銀河団に取り込まれつつあるという説があるが、ダークエネルギーによる宇宙の膨張速度が加速的に増加している事から否定的な意見もある。最近、2億光年ほど先に周りの銀河を引き寄せている巨大なアトラクターが発見され、おとめ座銀河団や局部銀河群を含む大きなラケアニア超銀河団が提案されている。

さんかく座銀河とアンドロメダ銀河が約25 億年前にすれ違った。当時の2つの銀河の間の距離は4万パーセク（13 万光年）以内であった。アンドロメダ銀河の強い重力は、さんかく座銀河に強い潮汐力を及ぼし、数百万個の星がさんかく座銀河の外へ放り出された。

地球から3.9億光年の距離にあるへびつかい座銀河団で銀河系の15倍の直径がある穴が発見された。巨大な爆発の跡と推定されている。へびつかい座銀河団は数千の銀河からなる巨大な構造体である。へびつかい座銀河団の中心には太陽質量の1000万倍の質量を持った巨大ブラックホールをもつ銀河があり、ブラックホールから垂直方向に放出されたジェットが何らかの原因で強まり、その先の銀河を吹き払ったという仮説が出されている。宇宙の大規模構造の形成には初期宇宙の密度揺らぎ以外が関与した可能性もある。

ダークマターの総質量推定値の最大値を持っても宇宙の膨張による銀河団の離間速度差を埋めるまで至らない。したがって、宇宙の膨張に準じて、それぞれの銀河団、超銀河団の間の空間が大きくなる。最終的には個々の銀河団は光速の壁に阻まれ（離間速度が光速を超える）、孤立した宇宙（空間）として切り離されるものと予測されている。

遠い将来の宇宙の姿について、銀河団による小さな宇宙になるのか、それとも、ビッグクランチを起こすのか、あるいは永遠の膨張を続けるような宇宙になるのかという結論は、今後、大統一理論 の登場とその理論による解析を待たなくてはならない。

+++　波　+++

波は水面の上下運動が伝わることです。水面を押すと、水が押されて水面の下に移動しますが、押す力がなくなると元に戻る。その時に勢いがついて、水面の上まで水が移動する。次に、水面の上の水が落ちるときに勢いがついて、水面の下まで行ってしまう。

水面が平衡点（安定）になります。自然な形のばねに例えることができます。水はしばらく上下運動を繰り返しますが、周りの水との摩擦により、やがて静止します（平衡に戻ります）。

ある点での水の上下運動は周りの水に影響します。あるところが盛り上がるということはその周り（隣）がへこむ（水面下に移動する）ことになります。凹んだところは元に戻ろうとしますが、勢いがついて、盛り上がります。新たな上下運動です。この繰り返しで、ある場所の水の上下運動はまわりに広がっていきます。これがよく観察する波です。

最初に加えられた力によって発生した波ですから、上下運動する水の量は時間がたつと摩擦により少なくなります。したがって、広がるにつれ、波の高さは低くなり、やがて消えます。

物理学ではたくさんの波が登場します。日常的には水面の波、音の波、地震、光波がおなじみです。波は横波、粗密波があり、横波は弾性のある物体で、音や地震のP波である粗密波はすべての物質を伝わります。光波は真空で成立する横波で例外です。波を拡大解釈すると周期的な現象のことです。水面の現象とのアナロジーで、社会的、心理的な要素も含めて、様々な現象を波（変動）として捉えます。時代や感情にも波があります。

+++　マイクロブラックホールとダークマター　+++

ブラックホールは巨大な恒星が超新星爆発をした結果、形成される超高密度の天体です。実は別の形成経路もあり、それは1971年にホーキング博士が提案していました。ビッグバン直後、宇宙は高密度のエネルギー粒子が充満していましたが、揺らぎによる濃淡により、局所的にはブラックホールになるほどの高密度になったと予想されるのです。予想されるブラックホールのサイズはマイクロから超巨大なものまであり、その総質量は現在観測されているダークマターの質量に匹敵すると推計されました。

超巨大なブラックホールは銀河の中心や、銀河団の中心にある可能性があります。一方、マイクロサイズのブラックホールはどこに行ったのでしょうか。マイクロサイズのブラックホールは小惑星程度の重量で、その直径は水素原子ほどです。そのために観測が不可能です。

しかし、ガス雲の中のマイクロブラックホールが種となってガスをひきつけ、恒星を形成したことは十分に考えられます。その場合、恒星の中心にマイクロブラックホールが存在します。恒星の質量を吸収しながらマイクロブラックホールは成長しますが、恒星を飲みつくすまでには宇宙の年齢ほどの時間がかかります。しかし、数億年から数十億年後にその質量が地球ほどになると、恒星の中心で降着円盤が形成され、恒星は泡立ち、膨れ上がって赤色巨星になります。地球がブラックホールになってもその直径は２cm程度しかありませんが、影響は絶大ですね。ブラックホールが隠れた赤色巨星の表面は波打つはずなので、その運動を観測すればマイクロブラックホールがコアにある恒星を見つけることができます。

はたして、恒星内部に隠されたマイクロブラックホールは見つかるか。そしてその総質量で宇宙の質量の85%を占めるダークマターが説明できるでしょうか。

10. 銀河の形成・・・重力井戸に集められた恒星 [スターバースト]


ダークマターの形成する重力井戸に銀河の重量に匹敵する大量の水素ガスが集められ、星の形成が始まった。ビッグバンから10億年後であった。重力井戸の中心に形成された巨大な第一世代の恒星は1000万年ほどで燃え尽き、超新星爆発を起こして周りに大量の重原子核と自身の残骸をまき散らした。中心には巨大なブラックホールが残された。

超新星爆発は恒星の誕生を促進する。巨大な分子雲の中央に大質量の恒星が誕生すると、その光が周りの分子雲に圧力を加えたり電離させたりして濃度の高い分子雲を作り出す。分子雲は恒星に凝縮し、光はさらに遠くまで届く。この繰り返しで、特徴的な恒星集団の構造（OB association）が形成された。

第二世代の恒星は重元素を多めに含んでいたので効率よく放熱し、手際よく形成されてより長く輝いた。第二世代の恒星はビッグバンから20億年後から60億年後（現在から120～80億年前）に次々と超新星爆発を起こし、宇宙の重原子の量を増やした。自ら光を出さない物質は見え方によって散光星雲、惑星状星雲、暗黒星雲などに分類される。主にガスやチリである。通常の宇宙空間に対して、100倍以上の密度をもつと星間ガスと呼ばれる。やがて自己の重力で圧縮されて核融合が始まり、星が誕生する。こうして星は第三世代へと移行した。

ブレーザーのガンマ線の減弱の様子を2億光年から116億光年の範囲で調べると97～107億光年の間でもっとも星の誕生が多いこと、その量は現在の10倍になることがわかった。ビッグバン後、30～40億年後に星の誕生のピークがあったことを示す。

天の川銀河の周りには数十個の矮小銀河があり、銀河形成の時に集まったが、まだ取り込まれていない銀河であると考えられている。古い恒星が多く、測定結果によると核融合による重い原子核（炭素や酸素）も天の川銀河より少ない。すなわち、銀河形成の初期には小さな伴銀河、球状星団など数千の恒星が重力により強く結合した構造体が数百個は存在したと思われる。

銀河の中心のブラックホールの質量は銀河のサイズと相関関係があることから、ブラックホールは銀河の衝突などにより合体したり、周りの恒星を吸収したりすることで成長すると考えられる。また、矮小銀河の合体や吸収でも内部のガスが大きく揺らいで大質量星が次々と誕生するスターバーストが起きて銀河が成長する。

遠い将来に起こる天の川銀河とアンドロメダ銀河の合体では、数百万年の間に太陽質量の数千倍に匹敵するガスが星に代わり、しかも、大質量星なので次々に超新星爆発を起こす。超新星爆発によって誕生した銀河のガスが吹き飛ばされて星形成がほとんど起こらない巨大銀河になると予想される。

+++　対称性と保存則　+++

ある系に連続的な対称性があれば、それに対応する保存則がある。対称性と保存則について数学的に証明したのはエミー・ネーターというドイツ出身の女性数学者だそうです（ネーターの法則）。

連続的な対称性とは。例えば、回転対称性。球は中心を通る回転軸に対して回転させても同じ形です。回転の角度が何度でも重なります。これが連続対称性。これに対する保存則は何でしょう。それは角運動量の保存則です。2つの回転する物体が合体した場合、それぞれが持っていた回転エネルギーは合体した物体の回転エネルギーと等しくなります。また、回転中に物体が変形した場合、変形に応じて回転速度が変わります。回転軸方向に長くなれば回転が速くなり、回転軸に垂直方向に長くなると回転が遅くなります。フィギュアスケートのスピンの例が有名です。

ちょっとわかりにくいのが併進対称性。これは物理現象を平行移動させても法則は変わらないという対称性で、ここで成り立つ法則はあっちでも成り立つ、すなわち、宇宙のどこでも成り立つという対称性。角運動量の保存則からイメージされるように、この場合の保存則は運動量の保存則になります。

では、中学の理科でも習う質量保存の法則はどの連続対称性に対応するのでしょうか。質量保存則はアインシュタインの公式によってエネルギー保存則と等価です。そして対応するのは時間軸に対する併進対称性。時間がたっても確かに物理法則に従って変化するエネルギーの総量は変化しません。

ところが、時間には原点があります。ビッグバンです。だから、この点以前には併進対称性が成り立ちません。するとエネルギー保存則が成立しなくともよい。そしてその代表例が暗黒エネルギーです。暗黒エネルギーは空間の膨張とともに増加している未知のエネルギー。意外な結びつきです。

そして最後に登場するのが電荷の保存則。これは素粒子の世界での保存則です。宇宙の素粒子のプラスとマイナスの総量は素粒子の反応が起こっても変化しない。対応するのはゲージ対称性。素粒子を記述する方程式が表現する座標系によらず変わらないこと。なんのこっちゃ。正確な表現かも怪しいですが、ゲージ対称性は素粒子物理学の解説本には必ず登場します。

物理法則が数学で表現されることから導かれる一般則。科学者が美しいと感じるのは、今まで別の原理で動いていたと思われる現象が一つの法則でつながるとき。これは納得です。

+++　 Gaia宇宙望遠鏡　+++

ヨーロッパ宇宙局が管理運営するGaia宇宙望遠鏡の最新データが昨年末に公開されました（Nature news Dec 2020）。前回の2018年のデータの公開後、このデータに基づいて約3000報の論文が発表されました。

Gaia宇宙望遠鏡（Gaia space observatory）は2013年に打ち上げられ、地球から150万キロのかなたに静止しています。地球と共に公転することで視差を利用して近傍の恒星の位置を観測し続けています。100万分の１度（角度）も検出できるため、16,000光年の範囲まで位置がわかります。約２年おきに約10億個の恒星の位置情報を公開します。

その精度は年々向上しています。太陽系から326光年の範囲にある30万個の恒星の位置はほぼ網羅しました。しかも４万個の星については今後40万年の運動も予測できました。ガイアの燃料は2025年まで。ミッション終了までに多くの観測データを残してくれることでしょう。

私のビッグヒストリーの中でも、宇宙誕生後、銀河が形成されてから太陽系の誕生までの約60億年がほぼ空白です。この空白の期間の一部は天の川銀河の生い立ちや、太陽系を生み出したガス雲と太陽の兄弟たちの生い立ちになるはずです。今までGaiaデータに基づく宇宙の歴史についていくつか紹介してきました。今後、さらに天の川銀河の成り立ちについて解析が進み、多くのことが明らかになるでしょう。

11. 天の川銀河の誕生・・・天の川の源流 [球状星団]


円盤部の外側に天の川銀河を球形にとりまくハローと呼ばれる領域がある。ダークマターでできたダークハローの半径は約30万光年で、銀河全体の質量の９割を占める。天の川銀河を形成する星の中で最も古い天体はハロー領域に散在する球状星団である。

地球から6.5万光年のかなたにある球状星団Palomar 5の年齢は115億年と推定された。Palomar5は細く伸びた恒星の帯を伴っている。これらの帯は他の矮小銀河との相互作用により、Palomar5が引き延ばされた結果と考えられている。ハロー領域の星は鉄などの重い元素を太陽の数百分の1程度しか含まない第二世代の恒星である。くじら座の11.7等星は、鉄の存在比は太陽の 800分の1しかないが、珍しく放射性元素のトリウム232やウラニウム238が検出できた。それらの相対存在比などから年令は125億年±33億年と決定された。この値は天の川銀河系の年齢に相当すると考えられる。

天の川銀河は最初の超巨大ブラックホール、いて座Ａを中心に恒星が引き寄せられて形作られた。天の川銀河は誕生してから約130億年の間に少なくとも半ダースの矮小銀河や球状星団を飲み込む事件が起きた。天の川ダークマターの中で誕生した小さめの銀河が天の川銀河に吸収されたのである。

その一つが矮小銀河をエンセラダス（Enceladus）で、100億年前に吸収されたと推定された。エンセラダスの大きさは、現在の伴銀河である大マゼラン雲と同程度だったと考えられる。銀河を飲み込むたびに激しい恒星形成が起きた。天の川銀河の成長はビックバン後30億年後（110億年前）が最盛期であった。これは宇宙で恒星が大量に誕生した時期に相当する。

天の川銀河はいて座A巨大ブラックホールの周りを回転し、次第に平たくなった。また、渦巻きパターンが形成された。渦巻きパターンは恒星の粗密波である。たまたま密度の高いところに重力ポケットが形成され、星がそこを通過するのに時間がかかる。すなわち、星がたまり、回転運動をしているので腕構造になった。さらに、星間ガスもたまり、星が誕生しやすい場所となった。

+++　宇宙の進化　+++

宇宙の進化は冷えていくことです。宇宙が膨張することで温度が下がり、全体として現象は一定方向に流れます。ただその流れは一様ではなく、あちこちに乱流を作り(素粒子)、構造体（原子や分子）をつくり、構造体は一時的ですが、散逸構造：秩序（星や生命）を作り出しました。

そこには新しい性質を獲得するという創発（emergence）、自然に秩序や構造を形成するという自己組織化（self-organization）、突如、それまでとはまったく異なった性質を持つ存在へと不連続的に変化するという進化（evolution? 　Phase-transition）があります。

熱力学では閉鎖系を取り扱い、学問的に成功しました。熱力学の第一から第三法則としてまとめられます。第一法則はエネルギーの保存則。第二法則はエントロピー増大の法則。第三法則は絶対零度の定義です。これらは絶対法則ですが、系の外側を仮定し、その系とエネルギーや物質のやり取りがある場合、その系だけに限って言うと熱力学第二法則が成り立たないことがあります。

一定の速度でエネルギーが流れる（変化する）定常状態を仮定します。エネルギーが流れていますから非平衡系です。そのなかに開放系をはめ込むと、エネルギーの流れを取り込み、そのエネルギーを利用して解放系の内部に構造が誕生します。

プリゴジンとブリュッセル学派はその構造を散逸構造と呼びました。開放系はエネルギー状態の高い物質やエントロピーの低い物質を取り込んで系の複雑さや秩序を増し（エントロピーを低下させ）、エネルギー状態の低い熱エネルギーやエントロピーの高い物質を捨てることで開放系を維持します。

単純な物質世界では系の中の小さな揺らぎが発展し、自己組織化して、目に見えるような秩序だった構造になります。いい例ではないかもしれませんが、台風も、山火事も、みんなはじめは小さなエネルギーではじまります。

外部からエネルギーを供給され続けると、自己組織化・自己増殖し、臨界点を越すような破壊的なエネルギーをもつ構造・大きさにまで発展します。台風の場合は海からの蒸散による熱エネルギーであり、山火事の場合は木々が燃料として供給されることです。

生命体が始めて膜をもち、自らの系を外界と区別したとき、生命体の自己組織化がスタートしました。以後、生命体は宇宙の熱力学的な不可逆過程に逆らうように個々のシステムを精緻にしてきました。

+++　階層　+++

物質世界にしろ、情報世界にしろ、そこに構造を認めて階層化する脳の働きは生まれたときから備わっているのでしょうか。言い換えると、遺伝的に決まっている（担当する遺伝子がある）のでしょうか。

階層化とは事象の整理・整頓です。身の回りや学問領域のたくさんの事実・情報から共通な性質を抽出して、グループ化します。次にグループの関係を整理してみると、より大きなグループを作る支配的な性質と、グループの中に入る性質とがあります。大きなグループを作る性質を上位とすると、物質世界では大きい方、情報世界ではより抽象的な方と解釈されるでしょう。包含関係は視覚的なイメージであり、構造です。

知識の構造は一つの体系だけを見ていたのではなかなか本質的なことがわかりません。例えば、言語の構造は日本語だけに注目するのではなく、英語、フランス語など他言語との共通点を探り出していくことで発見されます。同様に、生物学、数学、社会学、心理学、政治学などの学問体系について、研究方法、対象に対するアプローチの仕方、基本概念などを比較することで、人類としての精神活動の構造が見えてきます。このような考え方に基づいて構造主義が誕生しました。

階層は物理学や生物学に見られるような時間と空間に依存する階層のほかに、知識や情報処理の階層もあります。人間は感覚器から外界の情報を得て、脳で情報を処理します。まず、感覚器からの直接情報があり、生物学的には感覚器の受容細胞の興奮として表現されます。次に、興奮が神経細胞へ伝えられ、複数の感覚器（細胞）の興奮が統合され、「素」の経験、生情報が形成されます。一連の生情報が一つの事として捉えられ、統合されて一つの経験として一次解釈されます。そして、一次解釈を集め、法則性を分析した二次解釈が生まれ、抽象化されます。我々の意識に上るのは一次解釈からです。

人間の情報処理系のハードウエアは感覚受容細胞から大脳に到る神経系です。情報処理の階層性は、ハードウエアとその伝達制御を行うソフトウエアで表現されているはずであり、ニューラルネットワークと呼びます。コンピュータによる情報処理も同じような発想で形成されています。１と０の信号（電流のオン・オフ）からCPUの制御命令セットが作られ、それらが組み合わされて人間の理解が容易なプログラム言語となります。測定装置からの入力も１と０の信号に変換され（デジタル化）、プログラムによって、人間が解釈できる出力に変換されます。エキスパートシステムのように、一次情報を階層化して整理し、高次の情報を引き出すよう設計されたソフトウエアもあります。

12．天の川銀河の現在・・・小宇宙の構成 [連星]


天の川銀河は、太陽系の属している天体の集団である。天の川銀河の周りにはマゼラン星雲などの20個の小さな銀河（矮小銀河）が銀河系の重力に束縛されて運動している。矮小銀河は天の川銀河を中心に半径40万光年くらいの範囲にある。球状星団、散開星団その他恒星の集団や星間物質を含む１個の小宇宙である。大部分の恒星が直径10万光年の円盤部にあり、中心の膨らんだバルジ部の恒星のほうが渦巻き腕部の恒星より古い。

天の川銀河の中心には強い電波源があり、「いて座Ａ」と呼ばれる巨大ブラックホールである。周りには星間物質が高密度で集中しているので光学的に見ることはできない。1990年代から天の川銀河中心近傍に存在する星の運動を10年以上追跡した観測が行われた。軌道を万有引力の法則によって解析すると、天の川銀河中心の巨大ブラックホールの質量は太陽の370万倍と判明した。直径は0.15天文単位(2250万km)である。

銀河中心に存在する巨大ブラックホールから噴き出すジェットはその広がりが最大で数百万光年に達する。天の川銀河のブラックホールは比較的おとなしいが、中心部の上下には高エネルギー粒子の存在するバブルが数万光年に渡って広がっていて、過去に一時的に活動的だった（まとまった量の星がブラックホールに落ち込んだ）と考えられる。

円盤部は、主系列星、ケフェウス型変光星などの種族I（第三世代）に属する星や暗黒星雲が占めている。銀河を形成する恒星で最も多いのは赤色矮星と予想される。大きさは太陽の直径の1/3以下で、表面温度は3500度程度の暗い星である。水素の核融合速度が遅く、寿命が非常に長い。肉眼で見えるものはない。太陽から 10パーセク（33光年）内の348個の天体が調べられたが、そのうち、239個（約69パーセント）は赤色矮星であった。また、恒星の半分は連星である。すべての恒星には固有速度があり、秒速10kmから1000kmで銀河の北側（地球の北極側）から見ると時計回りで回転している。

天の川銀河では銀河面に塵が集まって盛んに恒星を生産している。太陽は銀河面より少し離れて上下運動をしながら回っている。

+++　いて座 A*　+++

太陽系の属する天の川銀河の中央には太陽質量の400万倍もあるブラックホールいて座 A*（サジタリウス　エイ　スター）があります。写真を撮影したのは国際研究チーム、イベント・ホライズン・テレスコープで、日本からは国立天文台などが参加しています。

写真は楕円形のドーナッツ型をしていて、3つの節があるように見えます。ドーナッツの中央の暗い部分がブラックホールの事象の地平線に相当し、周りのドーナッツはブラックホールに落ち込む物質からなる降着円盤です。ブラックホールの強い重力で光速度に加速された物質は強力な光を放ち、それを地球の電波望遠鏡で観測しました。いて座A*までは2.7万光年あり、ブラックホールは質量の割に小さいので、地球上の離れた地点にある電波望遠鏡を同期させて地球サイズの電波望遠鏡として使う必要がありました。降着円盤の直径は約1光年です。

ちょっと考えると、地球は銀河のディスク平面にありますから、その中心で回転しているいて座A*も同じ方向で回転し、すなわち、降着円盤も同じ方向で回転していると考えらえます。つまり、降着円盤はクッションを横から見たような形にならないか？　実際にはいて座A*の強い重力レンズで、円盤の向こう側が立ち上がって見えるのです。長時間の観察で多数の写真を撮り、それらの像を合成して１枚の写真に仕上げました。

実際、降着円盤は天の川銀河の回転面に対して水平ではなく、50度ほど傾いているようでした。おそらくいて座A*の回転軸も垂直ではなく、同じ程度に傾いているでしょう。降着円盤、いて座A*の回転は天の川銀河、吸収した星の角運動量、過去に吸収したブラックホールの角運動量に影響されて独自の方向を向いていると思われます。いて座A*は130億年前に2つの銀河中心ブラックホールが合体して誕生したと考えられています。

天の川銀河の中心は星が密集して観察が困難なのでは？　実際にはいて座A*は大きな空洞の中にあって、観測が可能でした。空洞の中にあるということは吸い込む天体も少ないことを意味します。つまり、いて座A*は同じ規模の銀河の中心ブラックホールに比べて暗いのです。

いて座A*の周りには巨大な構造があり、それも同時に観測されました。いて座A*の周り数パーセク（１パーセクは3.26光年）には渦巻き構造があります。いわば天の川銀河のミニチュア版です。これは数千万年前にいて座A*が活発に星を吸収していた名残と考えられています。面白いことにこの渦巻きの回転軸も天の川銀河の回転軸やいて座A*の降着円盤の軸とは一致しません。つまり、いて座A*の回転軸は揺れ動いていると考えらえます。回転軸に影響するのはいて座A*が吸収する天体の角運動量です。つまり、過去の天体の落ち込み量が一定ではなかったことから回転も変化したのでしょう。

さらに外側に目を向けると7700パーセクの長さに及ぶ楕円形のふくらみがあります。この厚みは天の川銀河の厚みをはるかに超えています。ドーナッツの穴に突っ込まれたレモン状の泡といったところでしょうか。2010年にすでにフェルミγ線宇宙望遠鏡で観測されていて、フェルミバブル（Fermi bubbles）と呼ばれています。X線で観測すると一回り大きく見えます（eROSITA bubble）。

フェルミバブルはガンマ線を発する高温のガスと考えられています。フェルミバブルの長軸は銀河の回転軸と一致しています。よく見ると、天の川銀河の中心から噴き出す長さ150パーセクのガスが見え、これがフェルミバブルを膨らませたと考えられました。現在のいて座A*の回転軸、すなわちジェットが噴き出す方向とは一致しませんが、いて座A*の回転がふらつくことを考えるとフェルミバブルの軸が天の川銀河の回転軸に垂直になってもおかしくないと思われます。

13．太陽系・・・天空の秩序 [ヘリオスフェア]


太陽系は天の川銀河面内にあり、いて腕とペルセウス腕にはさまれたオリオン腕の銀河中心側にある。銀河中心より26,000光年。太陽の周りの600万個の恒星はカタツムリの殻のような渦巻き様に分布している。太陽の年齢はウラン238の崩壊の測定より46億年と算出されている。すなわち、宇宙誕生後91億年、天の川銀河が誕生してから79億年後。太陽の固有速度は秒速240km。太陽は2億年で1回天の川銀河中心を回る。すでに23周した計算である。

一方、天の川銀河で太陽系と同じ位置にある星々は210 km/秒で回転している。太陽系が天の川銀河の4本の腕を通過する、その時間間隔は約2億年。１つの腕を通り過ぎた後、次の腕に追い付くまでの時間が約2億年である。天の川銀河の腕は星や星間物質が集まっているので、そこを太陽系が通り過ぎるとき、オールトの雲がかき乱され、たくさんの彗星が発生する。その彗星が地球に落下すると地殻を突き破って激しい火山活動を引き起こすという仮説がある。地球の過去の火山活動は約２億年周期で活発化している。

太陽は直径300光年ほどの局所バブルの真ん中にいる。局所バブルの周囲は星間塵の濃い層ができており、局所バブルの中は周りより星間塵が希薄である。局所バブルの中は周りより温度の高いプラズマに満たされている。さらに空洞の表面には７つの恒星群が形成されていて，その恒星はそろって数百万年くらいの年齢である。恒星群の運動から、局所バブルは1400万年前から15個の超新星が、約400百万年おきに４回に分けて爆発して形成されたと予想された。太陽は当初、1000光年ほど離れたところにいて局所バブルの中に入ったのは500万年前と計算された。800万年後には局所バブルから抜け出す予定である。

太陽系に存在する元素は、多い順に、水素、ヘリウム、酸素、炭素、窒素、鉄、マグネシウム、硫黄、アルミニウム、ナトリウム、カルシウム、ニッケルとなる。物質（質量）の大部分は太陽にある。これらの元素は恒星内部の核融合反応でできた原子核である。超新星爆発や中性子星の融合により作り出された重い原子も含まれている。

太陽系の主な天体には、唯一の恒星である太陽、８個の惑星と、惑星の周りを周回する衛星からなる。火星と木星の間で、大きな惑星に成長できなかった微惑星は、たくさんの小惑星にとどまり、小惑星帯となった。セレス、パラス、ジュノー、ベスタのほか、12万弱発見されている。小惑星ベスタは地球と同じように内部に層構造を持つ。

海王星の外側にはいくつかのガスを持たない天体があり、エッジワース・カイパーベルトと呼ばれる。周期 200年以下の短い周期の彗星の起源がこのあたりにある。これらの天体をまとめて準惑星とよぶ。かつて惑星に分類されていた冥王星は準惑星とされた。

太陽は、あらゆる方向に太陽風とよばれる超音速のプラズマを放出しており、星間ガスの中に巨大な回転楕円体の空洞を作っている。この空洞は太陽圏（ヘリオスフェア）とよばれ、約100 ～ 150 天文単位（AU）にわたって広がっている（1 AU は地球から太陽までの平均距離。約1.5 億km）。超音速の太陽風は末端衝撃波面で急激に減速し、ヘリオポーズ（太陽圏境界）で恒星風と平衡に達する。末端衝撃波面の外側は太陽風が低速で流れていて、ヘリオシースと呼ばれている。この領域では、太陽プラズマと星間ガスとの相互作用が優勢になる。その外側にはオールトの雲と呼ばれる長周期の彗星のもとが広がっている。彗星は太陽の引力に導かれて太陽のそばまで落ちてくることから、太陽系の一部と考えられる。オールトの雲は太陽から10万AUまでと推定されている。オールトの雲を含むと太陽系の直径は約3光年（3ｘ6万6千AU）となる。

+++　小惑星は小さな石や砂の凝集体のようだ　+++

はやぶさは小惑星の具体的なイメージをもたらしました。まず、イトカワが一つの岩ではなかったこと。イトカワは見たところ、表面が砂と大小さまざまな岩石の集合体、凝集体です。小惑星とか、微惑星というと、衝突すると砕け散るような硬いイメージがありましたが、そうではありませんでした。実際はイトカワの中身は1個の岩かもしれません。

地球上では存在できない凝集体が宇宙に浮かんで、形を成して太陽の周りを公転していることが不思議です。近くに大きな重力場がない真空の世界の特長を示しています。衝突するときは、砕け散るのではなく、泥団子が合体するような衝突でしょう。液体の玉が変形しながら融合するようなイメージです。微惑星がある程度成長するまではこんな単なる宇宙の塵の集まりだったと想像されます。岩ができるためにはかなり巨大な塵の塊ができ、重力で押しつぶされるか、高い温度で溶融する必要があります。石ができるにはその岩が砕ける必要があります。

彗星も同じような顔をしていました。ヨーロッパ宇宙機関の彗星探査機「ロゼッタ」は2004年3月2日に打ち上げられ、何度もスウィング・バイを繰り返して加速し、2014年8月にチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星に到着しました。彗星の地表に着陸機フィラエを投下しましたが、あいにくと日陰だったため、太陽光発電ができずに機能しませんでした。フィラエは史上初の彗星に着陸した探査機です。9月30日まで彗星を観測しました。チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星は2つの楕円形の塊がずれてくっついているのでお風呂で遊ぶアヒルの形です。彗星も基本的には粒の凝集体です。

+++　曼荼羅は中心を持った秩序で森羅万象を説明する　+++

世界観を説明する代表例が曼荼羅です。密教では金剛界曼荼羅と胎蔵界曼荼羅の二つで対になっていて、両界曼荼羅または両部曼荼羅と呼ばれます。

金剛界曼荼羅の中心には大日如来が位置し、その周りに、阿しゅく・宝生・阿弥陀・不空成就の四尊の姿があります。構図は「４」の繰り返しで、さらにその周りに菩薩(ぼさつ) 、明王(みょうおう) 、諸天(しょてん) 、法具の４つが整然と配置されます。金剛界曼荼羅は中央からぐるりと全体を回って周辺へいたる思考と、逆に周辺から中心に入る思考の２つを読み取ることもできます。基本構造の繰り返しは一つの原理から世界の多様性が生じ、またすべての世界の多様性が、一つの原理に帰一するといった思想も表現しています。

胎蔵界曼荼羅は中央に真理の人格化された大日如来が描かれ、その周りを四如来四菩薩の主要尊（中大八葉院：ちゅうだいはちよういん）が配置されます。方位であらわすと宝幢（N）、開敷華王（E）、無量寿（S）、天鼓雷音（W）の四仏と、普賢（NE）、文殊（SE）、観自在（SW）、弥勒（NW）の四菩薩です。方位は現代で書いてありますが、金剛界では上が西だそうです。周辺に枠（院）が設けられて、神や人、悪鬼羅刹、餓鬼などが階層的に配置され、大日如来が世界の原理であることを示しています。

14．太陽系の誕生・・・降着円盤 [重力]


隕石の年齢を調べた結果、太陽系が生まれたのは46億年前と計算された。太陽系誕生には45億6700万年前に矮小銀河が天の川銀河に衝突して起きたスターバーストが契機になったとする説がある。

太陽系の元となった星間物質の雲は少しずつ凝縮し、重心へ落下した。ガスの大半は水素分子や一酸化炭素分子などの分子で占められた。全体の質量に対する割合はわずかであったが、大量の数μm程度の微小な固体粒子もあった。ガスは落下して凝集する間に角運動量が保存されるために渦を巻いた。重力で凝集する場合、回転軸に垂直な面内では重力と遠心力が拮抗し、物質はすぐには中心へ落ちない。一方、回転軸に平行な向きには遠心力が作用しないため、重力による凝集が進む。この結果、物質分布は次第に扁平になり回転する降着円盤が形成された。

やがて、回転の中心に巨大なガス球が作られた。ガス球の中心部は圧縮されて温度が上昇し、双極分子流が発生した。収縮がさらに進み、臨界温度を超えると水素原子核の核融合が始まり、原始太陽となった。

原始太陽系分子雲が縮み始めてから、惑星ができるまでは1000万年から１億年と見積もられている。降着円盤の中のダストは、ゆっくりと集合し、粘着力や非弾性衝突により小さな塊をつくった。ぺブルと呼ばれる。ぺブルは凝集し、直径が大体10 km程度の大きさの微惑星になった。微惑星は太陽の周りを公転しながらお互いにぶつかり、くっついたり、衝突の衝撃で壊れたりしながら、成長した。微惑星の中には金属鉄のコアを持つものもあったらしい。降着円盤から直径10km程度の微惑星が形成されるまではかなり速く、10万年程度と見積もられる。地球はその後、微惑星が集合して3000-4000万年かけて作られた。

原始惑星の質量が地球質量の約10倍を超えると、その惑星は水素ガスも重力により集めることができる。原始惑星系円盤内には、質量にして固体成分の100倍ものガス成分が存在するので、惑星の質量は一気に増大する。10地球質量程度の質量を持った核(コア)の周りに、コアの何倍もの質量のガスをまとった木星型の惑星が形成された。木星は核融合のスイッチが入るには体重が足りなかった。木星より外側には土星、天王星、海王星と、同じようなガス状の巨大惑星が誕生した。太陽系の外側ほど金属元素は少なくなり、氷と土などの軽い元素によって構成されると考えられる。

太陽系の外側では太陽系初期の惑星形成はゆっくりと進み、その間に原始分子雲は太陽風で吹き飛ばされたため、これらの天体は惑星形成の途中で取り残されたようである。太陽系の惑星は8個が知られている。海王星の外側の準惑星の軌道から地球質量の5-10倍程度の9番目の惑星が存在するという説がある。

カイパーベルトにある岩石が海王星などの重力で撹乱され、彗星になる。同じメカニズムでカイパーベルトから木星軌道の内側にある小惑星帯にも岩石や天体が注入される。太陽に近づいたカイパーベルト天体は加熱され揮発性成分を失い、岩石質の隕石になる可能性がある。また、この岩石の太陽の重力井戸への落下は現在も続いている。

+++　惑星誕生のモデル　+++

主に、3つのモデルがあります。

原始惑星が軌道を回るときに小石を集めるように成長するpebble accretionモデル。pebble accretionモデルでは1個のコアが周りの小石を集めながら成長し、しかも成長につれて軌道が内側に移動するので効果的に成長できることが利点です。pebble accretionモデルは成長の過程をうまく説明しますが、最初のコアがどのように作られるかを説明しません。

原始太陽の周りに塵やガスからなるディスクが形成され、その中にガスや塵が凝集して微惑星が形成され、微惑星が衝突して次第に惑星に成長した。モデルはCore accretionと呼ばれます。また、ガスが渦を巻き、乱流となって濃淡が成長してコアができ、コアがガスや塵を集めてやがて惑星に成長するモデルがあり、Streaming instabilityと呼ばれます。これらのモデルで岩石惑星、巨大ガス惑星の形成過程がコンピュータ　シュミレーションによって説明されてきました。

しかし、現在では原始恒星系は多数見つかっており、多様なディスクも観察されています。したがって、かつて太陽系のデータを元に提案されたモデルでは多様な恒星系の姿を説明できなくなっています。もっとややこしいのは他の原始恒星系を形成するディスクの質量は小さいようで、どこからか物質が供給されなければなりません。実際、Taurus Molecular Cloudでは流れのような2本の筋も観察されました。

他の原始恒星系での惑星形成の解析はこれからでしょう。マイクロ波、赤外線を検出する大口径、高性能の天体望遠鏡の建設計画が進められています。

+++　分子は粘着力がある　+++

気体の分子は真空中に独立して存在します。しかし、液体や固体の分子は単独では存在できません。金属などの自由電子を発生するものは特にくっつきやすい性質を持ちます。分子や原子は「ねばねば」しているのです。おもに電磁気力による粘々で、ファンデルワールス力と呼びます。粘々を引き離すのは温度による分子運動であり、くっつくかどうかは周りの温度によって決まります。くっついた分子は真空中を漂い、ぶつかったらまたくっつき、成長します。成長は分子の密度が高ければ速くなります。

原子は決まった半径を持つ球のように振舞います。最外殻電子が原子間の相互作用を決めます。化学結合は原子が電子雲を共有することで起きます（共有結合）。電子雲は2個の電子がペアでいるときに安定する性質があるからです。ところで、物質は分子でできています。分子を近づけると、ある距離で弱く結合して安定します。これがファンデルワールス力です。分子を構成する原子の電子雲が一部重なり、小さなマイナスの雲を作り、これが介在して原子核のプラス電気が引き合うからと説明されます。　

分子は光子を吸収して励起します。この場合の光子は電磁波、紫外線、ガンマ線などです。電磁波はエネルギーが弱いので分子の運動が増します。これがファンデルワールス力を引き離す力です。紫外線は電子を活性化して化学反応を引き起こします。ファンデルワールス力はもちろん、共有結合も切れたり、新しく作られたりします。ガンマ線は電子を弾き飛ばし、分子を壊し、また大規模な化学反応を起こします。

太陽系誕生の頃は太陽からの光エネルギーは弱かったので液体や固体の微粒子が成長する傾向が高い状態にあったと思われます。

+++　天体の周期に基づいて人類は暦を作った　+++

時を示すのは暦です。１週間の起源は、古代バビロニアに遡ります。月の満ち欠けの周期（約28日）の4分の1を単位にしました。ユダヤ教が聖書にこの周期を神の周期として取り入れ、それをキリスト教、イスラム教が継承し、世界に普及しました。イスラム教の安息日は金曜日、ユダヤ教は土曜日、キリスト教は日曜日で、仕事を休んで神に祈りをささげます。

対する中国では干支（えと）でしょう。十干（じゅっかん）と十二支の組み合わせのことです。十干と言うのは、甲、乙、丙、丁、戊（ぼ）、己（き）、庚（こう）、辛（しん）、壬（じん）、癸（き）です。暦では、甲（きのえ）、乙（きのと）、丙（ひのえ）、丁（ひのと）、戊（つちのえ）、己（つちのと）、庚（かのえ）、辛（かのと）、壬（みずのえ）、癸（みずのと）とも読まれます。中国の殷の時代から、10日ごとに循環する日を表示する数詞として用いられていました。十干は年と日を示すほか、種々の分類記号としても用いられ、昔は学業成績などの表示に、今では契約書の人もしくは法人を示す記号としてよく目にします。

周の時代になると、十干は十二支と組み合わされて年と日とを表すようになります。十二支は子丑寅卯辰巳午未申酉戌亥（ね、うし、とら、う、たつ、み、うま、ひつじ、さる、とり、いぬ、い）です。十二という数字は木星が天球の黄道を約12年かけて一周するため、とされています。

やがて、漢の時代（一説には戦国時代）になると、陰陽五行説の五行、"木火土金水"と結合します。結果、木（甲乙）・火（丙丁）・土（戊己）・金（庚辛）・水（壬癸）のように二つずつ五行に配当され、さらに二つは、五行各々の陽すなわち兄（え）と、陰すなわち弟（と）を示すとされました。

15. 地球・・・太陽系の非ガス成分 [コンドリュール]


原始太陽から1.5億キロメートルのところを公転する地球は他の惑星と異なった風貌を持つ。

原始の地球の構成成分は現在の太陽系に漂う、惑星に吸収されなかった微惑星を調べることで推定する。具体的には隕石と彗星である。隕石のうち、惑星ができた当時から存在する最も古い隕石は炭素質コンドライトである。この隕石の化学組成は水素、ヘリウムを除いて太陽系の成分と同じである。鉄・ニッケルばかりでなく、かなりの量の水や炭化水素が含まれている。45.6億年前に形成されたとされるコンドリュールと呼ばれる小さな球状の粒子を含む。無重力の状態では、揮発性分子が集合してできた物体は球になると予想される。炭素質コンドライトは熔融・固化という熱変成を受けていない隕石と考えられている。

現在の太陽系では、彗星の長い尾は、地球軌道の辺りで水蒸気を含むようになる。しかし、地球が誕生した頃は太陽からのエネルギー放射が現在より少なかったので、地球の軌道付近の温度はもっと低く、微惑星は大量の氷や低分子有機物を含んでいた可能性がある。太古の地球の地表は岩石と言うより、単純な炭素化合物を大量に含んだ泥であったかもしれない。

原始地球は公転軌道の周囲に残っていた大量のぺブルや微惑星を引き寄せて成長した。太陽の活動が活発になると、太陽風が発生し、太陽に近い領域からガスを吹き払った。100万年ほどで、わずかな大きさの違いが成長して十数個の原始地球に成長した。その頃、ようやく木星も成長し、原始地球の軌道に影響して原始地球群に最後の成長への一押しを行った。

地球に落下する微惑星は衝突エネルギーにより融け、微惑星中に含まれていた水分や気体成分は一瞬にして蒸発した。現在の地球の半分くらいの大きさになると、重力は気体を逃がさない強さになり、大気の層ができた。さらに降り注いだ隕石から揮発性物質が地球に供給され、原始大気が誕生した。原始大気による温室効果で熱が宇宙空間へ逃げる速度が遅くなり、地表は徐々にマグマに変わりはじめた。やがて、地表は煮えたぎるマグマオーシャンへと変化し、その深さは500 km、温度は千数百度に達した。マグマオーシャンの中で重い鉄などの成分は軽い岩石分と分離して、マグマオーシャンの底に溜まった。ただし、ジャイアント・インパクト以前の地球大気の存在には否定的な学説もある。

地球の半径が現在の70%くらいになると、マグマオーシャンの底に溜まった重い金属は一気に中心へ落ちていき、核を作った。このときに開放された重力エネルギーにより地球は芯まで融け、軽い岩石成分（マグマオーシャンの部分）と金属核に分離した。熱を放出して地球が冷却すると、地球全体のエントロピーは減少する。その分、地球は次第に複雑な構造に秩序化（組織化）した。

+++　ポテンシャル・エネルギー　+++

地球を融かしたエネルギーの源は位置エネルギーと呼ばれます。一般的な言い方にするとポテンシャル・エネルギーです。位置エネルギーは重力の作用する場で生じるエネルギーで、重力の中心へ移動（運動）することで、運動エネルギーに変わります。物体にぶつかれば、その物体を破壊し、変形させ、熱エネルギーになって空間へ逃げていきます。重力の中心には質量（物体）が必ずありますから、位置エネルギーは最終的には熱エネルギーになります。

位置エネルギーと運動エネルギー、すなわち、物体の位置と運動は相互に関係しあって、エネルギーとしての総和は一定の値になります。熱エネルギーは熱く、化学エネルギーは燃料などの実体があって、捕らえやすいですが、位置エネルギーには実体はありません。中学校で位置エネルギーを習ったときは面食らったものでした。位置エネルギーを生み出す場があって、その場があるために物体が運動します。運動すると位置が変わり、その位置にふさわしい量の位置エネルギーを得ることになります。

重力場を二次元で表現してみましょう。重い物体が薄い膜の上にあると、重みで膜がへこみます。まっすぐ転がっていた玉はその凹みで運動の方向が変わります。凹みに捕らえられると物体の周りを回転することになります。実際の世界では摩擦があるために運動エネルギーは熱エネルギーに変わり、やがて玉はへこみの中心の物体にぶつかるでしょう。場に置いた玉は重力場、すなわち、勾配にしたがって運動することになります。たくさんの重力場があると、凹みが重なり合って複雑な空間ができます。宇宙は星の質量により、でこぼこしていることになります。 重力場では位置エネルギーと運動エネルギーの和が一定になりますが、一般的な場では一定になるとは限らないでしょう。ポテンシャル場の一般的な表現はラグランジュ方程式、ハミルトンの方程式（ラグランジアン、ハミルトニアンなどの演算子）と呼びます。くわしくは解析力学の専門家にお尋ねください。

地球上では地球という質量が圧倒的な重力場を作っていて、地球上の物体は逃れることはできません。

+++　資源衛星　+++

天気予報を見ていると、宇宙からの観測が日常的であると感じます。観測されているのは雲の動きや海水温だけではありません。地表の高低差、建物の変化、地熱、植物の活動。軍事的な観測もあります。通信衛星の果たす役割は日常生活では欠かせないものになっています。

宇宙からの観測は環境犯罪を取り締まるために有効な手段です。宇宙から地形、森や建物の変化を観測し、常態化した環境汚染や廃棄などの証拠を見つけます。広範囲にわたっているために地上からでは見えにくい変化が宇宙から観測可能です。環境犯罪の証拠を見つけると何らかの政策がとられます。

逆に言うと、これらの衛星が破壊されることは日常生活を破壊すること。2050年には宇宙での支配権が重要な軍事目標になります。人口衛星の位置を特定するレーダー網、任意の人工衛星を破壊するミサイルの配備。破壊された機能のバックアップシステム。21世紀後半には宇宙戦争が地上戦より重要なカギを握ります。

16. 月・・・ジャイアント・インパクト [潮汐作用]


地球の形成の最終段階で現在の地球の質量の10-15％程度（火星ほど）の惑星（テア、Theiaと呼ばれる）が衝突した。その結果、地球に最後の10%の質量を提供したが、惑星と地球の表層部分が地球周辺に飛び散った（ジャイアント・インパクト）。それが再び集まって独立した天体として地球の周りを公転しているのが月である。月の岩石の年齢から45.3億年前とされている。月の誕生はアポロ計画で持ち帰られた月の石に含まれたジルコンの年代測定から太陽の誕生後6000万年頃とされる。

ジャイアント・インパクトは木星などの巨大惑星による撹乱が原因とされている。テオの軌道を地球にぶつかる軌道に変えた。降着円盤の中で形成された原始惑星は同じ方向に同じようなスピードで回っていたはずである。テアは地球の兄弟の原始惑星であろう。地球とテアは太陽からの距離が異なる円軌道を、少し異なった速度で公転し、互いの重力で近づいた。衝突というより融合したのではないか。融合の前に互いの重心の周りをまわり、マントルの物質交換が起こった可能性が高いと思う。マントルや核の一部を奪われたテアは月として地球の重力井戸の中に残ったのだ。

シミュレーションによると、マグマオーシャンの状態の原始地球に衝突が起こると、マグマがジェットとして吹き出し、それが地球軌道上の円盤になり、やがて月になった。この時、衝突後、テアの物質とマグマオーシャンの物質が地球周辺に飛び散った。テアのコアは、再度地球と衝突した。一方、地球のマグマオーシャンの成分は、軌道上に残ったので月は地球由来成分を70%含むことにとなった。月と地球の地殻で同位体比が同じことが説明できる。単純にマグマオーシャンが冷えて固まった場合、貴金属はコアにしかないはずである。それが地表にあるのはジャイアント・インパクトのためと説明される。

テアの鉄の核の一部が融けてほかの物質と一緒に地球の上空を雲のように覆った。金属蒸気の大嵐は水分子から酸素原子を奪い取り、残された水素は厚い大気として約２億年の間、地球を覆った。マグマオーシャンが固化した形成直後の地球では岩が地表を覆い、二酸化炭素、窒素や二酸化硫黄が噴出していた。この状態で水素の毛布が掛けられると低分子の有機化合物が合成された。

アポロ計画で持ち帰られた試料を調べると、月の表面はすべて火成岩からできており、白っぽいところは形成年代が古く、花崗岩の仲間（長石の多い岩石、アノーソサイト）である。また、黒っぽいところは、35億から30億年ほど前の玄武岩からできていた。その後は、月のマグマの活動はない。アポロ計画で設置された地震波計と月周回衛星かぐやによる潮汐力による変形観測から、月には半径300kmのコアと、1400kmのマントル、10kmほどの地殻があると推定された。

+++　テアの痕跡　+++

テアの残骸が地球のマントルの深くに大陸サイズの２つの塊として残っているという説があります。科学者は地震波の解析から西アフリカ大陸と太平洋の下にコアにヘッドホンのように乗っている２つの巨大な塊があることに気づいていました。厚さは約1000km、長さはその数倍の塊で、周りのマントルより密度が高い岩のようです。

まず、アイスランドとサモア諸島のマグマの解析。それぞれ西アフリカ下、太平洋下の塊に由来するプルームからもたらされたマグマでできた火山島です。火山岩の中に地球が誕生してから１億年の間のアイソトープ比の痕跡がありました。２つの塊から立ち上るプルームは地球が誕生した時からあるようです。

月が軽い岩石からできていて小さなコアしかないことから、テアは火星ほどの大きさで核を持っていなかったとされました。が、2019年、月の岩石の水素原子のアイソトープ比の解析からテアは地球ほどのサイズがあったと報告されました。軽い水素原子も十分含まれていたのです。すると、テアのマントルはもっと鉄を含んでいて、密度が高かったと考えられます。

さまざまなサイズのテアと原始地球の衝突のシミュレーションから、テアのコアと原始地球のコアはすぐに融合しますが、テアの重いマントルは地球のマントルの底、コアの表面に残ることが推測されました。

慎重意見もあります。２つの塊は地震波の低い解像度による幻の可能性もあり、厚さももっと薄く、プルームが枝分かれする姿を見ているという説もあります。サイズが小さいという説は他の測定方法での結果と符合します。

より直接的な証拠は月のマントルのサンプルを解析することで得られます。中国と米国の探査機は深くえぐれた月の南極のクレーターから岩石を持ち帰るプロジェクトを計画しています。そしてさらには、マントルの底にもう少し小さい密度の高い塊が見つかり始めています。それは原始地球がもっと幼かった時に衝突した小さな原始惑星のコアではないかと。地下深く眠っているのはテアだけではない。

+++　太陽と月　+++

太陽と月は空で最も目立つ天体で、太古の昔から文明のシンボルでした。太陽は農耕にとってはなくてはならないもので、農耕儀礼と結びついて神格化されたことでしょう。日本神話の天照大御神は太陽神ですし、古代エジプトの最高神ラーも太陽神です。

一方で、月の神は影が薄く、日本神話の月読は神話では活躍の場がありません。太陽は昼を支配し、月は夜に輝くことと関係がありそうです。男性を太陽、女性を月と見立てる考え方もあります。こちらは月の満ち欠けの周期と月経の周期が一致することが主な理由でしょう。

太陽は西の空に沈んでいっても翌朝にはまた東の空から変わらぬ姿を現しますが、月には満ち欠けがあります。つねに不変の太陽は神の生命の象徴であり、死と再生を繰り返す月は人間の生命の象徴です。

規則的に満ち欠けを繰り返す月が先に暦に登場したのは自然だと言えるでしょう。太陽の位置をもとに暦を作ることは精密な観測が必要だからです。太陽の動きを大雑把に追いながら月の満ち欠けで細かいカレンダーを作る太陰暦は季節の動きに合わせて調整されます。

さらに、太陽と月は陰陽思想にみられるように対になる概念として世界を理解するシンボルでした。実際には月の引力のほうが地球に大きく影響します。それは潮の満ち引きです。月は地球の生物の生殖活動に大きな影響を与えています。

17. クレーター・・・冥王代の重爆撃　[エアロゾル]


太陽誕生は45.7億年前。約41億年前に天王星と海王星が形成されると、木星と土星の軌道がずれ、小惑星の軌道も影響されたと考えられる。太陽系の形成期の初期に木星は太陽に近い軌道に移動し、土星、天王星、海王星は外側に振られた。その影響で、海王星軌道の外側で形成された準惑星は破壊されてカイパーベルトになり、また、冥王星のように楕円軌道を描くようになった。さらには小惑星を現在の位置に束ねて、大量の隕石群を太陽系の中心部へ送り込んだ。

月のクレーターを観測すると、ほとんどが約41億年前にできたこと、そのサイズ分布から火星と木星の間の軌道にある小惑星が集中的に落下してできたと推測される。今から約41億年前は、数千万年から数億年にわたり地球に小惑星が隕石として落下したと考えられ、後期重爆撃期（Late Heavy Bombardment）と呼ばれる。スノーラインの外側からの隕石なので、この時に大量の水や炭素化合物が地球に供給された。原始地球の海の深さはほぼ2000mと見積もられている。地球の表面はほとんど海に覆われ、その下に玄武岩質の地殻、海の上に厚い大気があった。

後期重爆撃期に落ちた隕石の数は22000個と推定されている。クレーターサイズが2000km程度のものは40個、クレーターサイズ5000kmのものは数回と予想されている。この巨大隕石は直径が数百キロもあり、海を完全に干上がらせ、地殻を突き破ってマントルの上層部を攪乱した。岩石は一時的に熔解し、マントルの中の物質が表面にくみ上げられ、地殻の上にあった物質はマントルに埋め込まれた。隕石の衝突で海や溶岩は大気に飛び散り、大量のエアロゾルを生成し、大気と混合した。巨大隕石が落下した後も無事に海は回復した。溶岩は海によって冷やされながら、海に様々な物質をもたらした。急激に冷えた溶岩により玄武岩質の地殻が再生した。

天体が地殻に衝突すると、イジェクタと呼ばれる衝突破片が大量に生成される。イジェクタのうち、特に微細なものは表面積が大きいために、化学風化反応を受けやすい。したがって、頻繁な天体衝突によって大量のイジェクタが生成され、海に溶けた二酸化炭素（炭酸イオン）は炭酸塩として沈殿した。大気中の二酸化炭素は徐々に減少した。

現存する最古の岩石は、40億年前（正確には40億3000万年前）である。38億年前以降にできた岩石は、いろいろなところから見つかる。また、堆積岩もみられる。このことから、38億年前以降、岩石が安定に保存されるようになったと考えられる。後期重爆撃期が終了して海が38億年前から安定したためであろう。

+++　スノーボール衛星は液体の水を持つ　+++

太陽系の外側には大量の水を持つ天体（準惑星や衛星）があります。ある程度、質量が大きければ、たとえ、表面は凍っていても、海底には液体の水が存在します。天体形成時の熱を閉じ込めているからです。このようなスノーボール・プラネットは太陽系にも存在する可能性があり、太陽と無関係に液体の水を持つことができます。

地球の生命は液体の水無しでは生きることができません。太陽系が最後のときはスノーボール・プラネットに生命の種を植え込んで、太陽系外に脱出させる。遠い将来に近くの恒星の重力圏に捕らえられて、恒星の熱で表面が融け、地球の生命体を復活させることができるでしょう。

+++　ニース・モデル　+++

現在、天王星と海王星は、太陽から遠い軌道を運動していますが、この距離では原始惑星円盤の動きが遅すぎて惑星が形成されるのに時間がかかりすぎるそうです。そこで登場したのがニース・モデル。2005年にニースの天文学者により提唱されたこのモデルでは、天王星と海王星は、いずれも現在の太陽からの距離の約半分のところで誕生したと仮定します。すなわち、木星、土星、天王星と海王星の軌道はとても近くなります。しかし、この配置は不安定で、やがて、木星は太陽系の内側へと移動し、土星、天王星、海王星は外側へと移動しました。一連の運動は原始惑星系円盤の氷天体にも影響を及ぼして撹乱しました。その結果、彗星は今も地球にやってくるのです。

現在でも地球にはたくさんの物質が隕石によりもたらされます。一番目にするのは流星。流星の起源は彗星と考えられています。流星群は彗星の軌道に一致します。彗星が残していった固体粒子が彗星軌道にありますが、そこを地球が横切るため、定期的に流星群が出現します。流星は低密度の固体粒子が地球大気に衝突し、摩擦によって高温になり、発光する現象です。

彗星の起源はオールト雲やカイパーベルトと呼ばれています。オールト雲は長期彗星の軌道解析から予想されました。太陽から約５万AU（1 AUは地球と太陽との距離です。1 AUは約1.5億km）で太陽系を取り囲む球殻状の層です。約1000億もの彗星のもとが集まっているといわれています。彗星は周りの惑星の引力か、相互の衝突などの影響で、太陽への何千年もの旅に向かうとされています。

カイパーベルトは冥王星のような遠い惑星を探査することから発見されました。短期彗星はカイパーベルトあたりから折り返している計算になります。海王星より以遠にある直径100km以上の天体は10万個以上あると推定されています。オールト雲やカイパーベルトの周辺ではまだ微惑星から惑星が作られつつあるという説もあります。流星群は地球と彗星の軌道が交差すると言う証拠。いつか彗星が地球に衝突することもあるでしょう。

18. 核・・・地球内部の分離 [地磁気]


ジャイアント・インパクト後のマグマオーシャンは現在のマントル部分までの深さであった。表面が冷え固まるまで数百万年かかった。一方、金星では太陽に近いために1億年もかかった。そのために水が失われてしまった。海もできなかったであろう。

太陽は現在の70%程度のエネルギーしか放射していなかった。この放射量だと、地球表面は全面凍結する。当時の地球はマグマオーシャンの熱を内部にためており、また、二酸化炭素を主成分とした大気の層があったので、凍結することはなかったであろう。マグマオーシャンが冷えてきたときに表面には融点の高いコマチアイトが析出した。地球最初の地殻はコマチアイトと考えられる。コマチアイトは橄欖石と同じく二酸化ケイ素が少なく、鉄やマグネシウムに富んでいる。マグマオーシャンを高温・高圧下で固化させる実験を行うとブリッジマナイトが析出してくる。ブリッジマナイトはMgSiO3を主成分とする硬い鉱物で、流動性が低い。おそらく、ブリッジマナイトは下部マントルにたまっていて、マントル対流を制限している可能性がある。

地球の表面は後期重爆撃期の隕石の落下により急激に融けた。また、時には海が完全に蒸発することを何度か繰り返したであろう。後期重爆撃期は41～38億年前の3億年であったので、巨大隕石が落下したとしても地殻や海が破壊されたのは短期間であったと考えられる。

地球を形成した初期の隕石はエンスタタイト・コンドライトで、揮発性成分が少ない岩石であった。当時、地球はスノーラインの内側にあったので、周りの揮発成分は気体として太陽風で太陽系の外側へ吹き飛ばされたためである。

地球に水を供給した小天体としては彗星と小惑星のどちらも可能性がある。かつては彗星が原始地球に水を供給したとする彗星説が主流だった。彗星は主成分となる氷に塵がまぶされている。ハレー彗星では80%が氷である。しかし、2014年にゲラシメンコ彗星の成分をロゼッタ探査機が調査したところ、水素の同位体比が地球の海とは大きく異なっていることが判明した。現在は小惑星説が有力である。

初期のマグマオーシャンの時期、ジャイアント・インパクトによる地球の完全溶融、その後の重爆撃期での再加熱によって、地球内部の重い成分は地球の中心へ沈み、鉄とニッケルを主成分とした核を形成した。冥王代の核は液体金属であり、地球の自転の影響により、流れが生じて磁場を形成した。

地球ができたころにもし磁場がなかったとしたら宇宙からの粒子線で揮発成分は分解され、海水はすぐに干上がってしまった可能性がある。水蒸気は上空で太陽風により分解されて、水素ははぎ取られてしまう。水蒸気の蒸発が促進されて、最後には海が消失する。

現在の核は固体の内核と液体の外核から形成され、外核は内核を避けるように対流するため、地球の自転軸と平行にらせん状の運動をする。磁場中で回転運動をする金属に電流が流れるように、コアの液体金属にも電流が流れ、右ねじの法則に従って磁力線が生まれる。

地球磁場は数万年～数十万年の間隔で逆転する。そのとき、磁場が弱まり、数千年にわたって地表に宇宙線や太陽風が降り注ぐ。陸上生物はこれまでに幾度となくそのような危険にさらされたと考えられるが大量絶滅には至らなかった。磁場の反転が最後に起こったのは77万年前である。

+++　地球の内部　+++

まずはおさらい。地球は外側から地殻（厚さ６～30km）、マントル（厚さ2890km）、外核（厚さ2260km）、内核（半径1220km）で構成されています。イメージと異なっていたのは核の直径が半分より大きい（約55%）こと。火星も同じサイズのコアを持つそうです。月は小さく、半径330kmで約19％しかありません。

次はイメージの修正です。プレートは地殻と思っていましたが、実際は、剛体であるリソスフェア部分（厚さ100km）を指します。すなわち、地殻の下には固体のマントルがあり、プレートとして運動を共にしている。その下はアセノスフェアと呼ばれ、変形して流動するマントルです。上部マントルの主成分は橄欖（カンラン）岩ですが410kmの深さまでです。つまり、上部マントルは同じ成分ですが、２つに分けられます。その違いは深さ（圧力）と温度。橄欖岩は上部マントルの途中で熱と圧力によって流動性が増すのです。

上部マントルの下はマントル遷移層（主成分はリングウッダイト）で660kmの深さまで。その下はブリッジマナイトと呼ばれる固い岩石が主成分で下部マントルを形成します。ブリッジマナイトは高圧実験で、マグマオーシャンが固化するときに最初に結晶化されることが示されました。下部マントルの上は沈み込んだプレートがたまる深さです。深さ2600kmを超えると、コアとの境界になり、金属に富んだポストペロフスカイトの層があります。この鉱物の構造と性質は筆者が超高圧高温実験で岩石を圧縮して再現しました。

コアには不純物が重量比で8％ほど含まれていて、コアの特性や進化に影響しています。コアの主成分は鉄ですが、コアが形成されたマグマオーシャン時代に取り込まれた不純物が今も残っていると考えられます。

ここまで説明すると、今回の記事でマントル対流が２重であったということには疑問符が付きます。少なくともブリッジマナイトから構成される下部マントルは対流しないはず。マントル対流が１つになるマントルオーバーターンが20億年前に起こり、そのためにコアの対流にスイッチが入り、地球に磁場が生じたという仮説（私は1996年の岩波新書で学習）はすでに時代遅れのようです。地球磁場は5億年程前に極小で、それ以前は強い状態から徐々に弱くなっていたと想定されています。そもそも太古の地球に磁場がないと水が失われてしまうという説もあります。

+++　界面　+++

物体は様々な分子が混合しています。通常は熱力学第二法則に従って、エントロピーが増大するように、すなわち、ごちゃ混ぜになるように変化が進みます。しかし、条件によっては性質の似たもの同士が集まった方がエネルギー的に安定することがあります。その場合、分子は集合体（相）に分離します。身近な例では、セパレート型ドレッシングを想像してください。油と水の相に分離します。

地球の場合、金属核ができたときが最初の相分離でしょう。重い金属成分はマグマオーシャンの粘度の高い液体の中で沈みました。また、気体や液体が地球表面に染み出し、表面に薄い大気の膜を作りました。さらに、マグマオーシャンの軽い成分は地殻を作り出し、海ができてからは大陸成分がマントルの上に浮くようになりました。

界面とは、均一な液体や固体の相が別の相（固体、液体、気体、真空）と接している境界のことです。均一であるはずの液体も温度差（密度差）があるために2つの層に分離することがあり、層の境界が界面になります。界面では性質の異なった物質が接するために特殊な物理化学反応が起こります。界面では非平衡の状態ですので、それを打ち消す力（均一になろうとする力）が働くからです。

集団の間のトラブル、それが人間社会における「界面現象」です。現代社会では、コミュニティが利害関係、力関係で絡み合って複雑です。さまざまな利害が衝突しますが、衝突が見えるのは健全な社会である証拠。争いのない状態や、争いが表に出ない状態こそ病気です。そして、社会は日常生活のレベルから国家レベルまで衝突や争いを調整する機能を持つことで健全と言えます。

個々の人を見る限りにおいて、能力、興味、性格に明確な区分を作ることはできません。しかし、人間は集団を作ります。血縁や地縁に始まり、職業、教育などの機会、大きくは、国家や文化による集団です。集団は共通の生き方、考え方を自発的もしくは半ば強制的に人々に提供します。人々は多少の不満があっても集団を維持する方を優先します。

2つの層に分かれていても人間社会は協力関係、なかでも互恵的関係のうえに成り立つことを考え、マイナスの界面現象をうまく調整する必要があるでしょう。また、新しい文化が生まれるなど、プラスの界面現象はお互いが享受すべきです。

19. 海・・・地球表面の分離 [超臨界流体]


地表にマグマオーシャンがあったとき、大気中の水は超臨界状態にあった。温度低下に伴い、臨界温度よりも低くなると、水は液体に変わった。約41億年前から後期重爆撃期が始まった。隕石は炭素質コンドライトであり、揮発成分が多かったと思われる。後期重爆撃期により地球に水がもたらされ、海が拡大した。海はおそらく43億年前から存在したと思われる。後期重爆撃期の巨大隕石の落下によって何度か蒸発したが、しばらくすると量を増して元に戻った。38億年前に隕石の落下が終わると安定した。

水は気圧と温度が低い大気の高い位置で雨に変わり、地表に達するまでに蒸発した。大気が冷えるに従い、雨は徐々に低い位置まで達するようになった。水蒸気は100 気圧のとき、絶対温度で650K(380℃)以下になると液体の水になることができる。この温度を水の臨界温度という。原始大気が100気圧（ほとんどが二酸化炭素と考えられる）、地表が300℃ほどに冷えたときに雨が地表に落ちた。

マグマオーシャンが冷えた後は、現在では考えられない高温の海があった。この時、二酸化炭素は43気圧に達する量が大気に存在したが、臨界温度より低くなってできた海にそのうちの10％程度が溶けていた。地球が冷えてから数千万年で大気中の二酸化炭素分圧は1気圧ほどに低下した。

海ができた証拠として枕状溶岩がある。溶岩が水中に吹き出て急激に冷やされたために特徴的な形態をとる。38億年前の枕状溶岩がグリーンランドのイスアで発見された。カナダ北部のアカスタ地域には40億年前の花崗岩起源の変成岩が発見された。花崗岩はプレート・テクトニクスと海の存在を示す。

地表の堆積岩には二酸化炭素の大気に換算すると90気圧にもなる炭素が含まれている。これは金星の大気とほぼ同じである。金星の大気は濃厚な二酸化炭素と窒素からなる。大気の上の方、地球の大気分くらいの深さでは、地球より温度が低い。その下には50kmになる濃厚・高温大気があり、高度が低くなり圧力が増すにしたがって高温になっていく。大気の底では400℃になる。

さて、原始地球の炭素の濃度はどのくらいだったのだろうか。まず、現在の海の水量13億5000万km3に地表での炭素循環総量50兆トン（いずれもウィキペディア）を溶かすと3.6％程度になる。また、原始の海の深さ2000km、現在の地殻の重量2000京tと炭素の含まれる割合0.03％より、海に溶け出した炭素の割合を1％と仮定して、6.6％となる。絹ごし豆腐や牛乳の水分量が90％というのを参考にすると、原始地球の海は意外と有機物でどろどろしていたかもしれない。

月はジャイアント・インパクトで形成された当時はロシュ限界（その内側では潮汐力で衛星が破壊されてしまう距離）付近（約50,000 km）にあった。当時、地球は、約6時間で自転し、月は10時間で1周していた。潮汐力は重力ポテンシャルを熱に変換する。地球全体を加熱し内部構造を変化させ、重力的なトルクを生じさせて軌道運動を変化させるなど、惑星－衛星系システムの進化を根本で支配する重要なメカニズムである。地球の固体部分をも変形させ、赤道直径が極方向の2倍近い扁平な形をしていた。月の公転と地球の自転周期とのずれから潮汐力による摩擦が生じて、地球の自転は減速し、月が加速され、遠ざかった。潮汐力の大きさは地球から月までの距離の３乗に反比例するので、潮汐摩擦の作用は急激に弱くなり、数億年で地球表面は安定したと考えられる。

地球に海ができたあと、月の引力による大きな潮汐力は海の高低差を生み出し、波の高さは1000 mにも達したと考えられる。推定される太古代の海の深さは2000 mであることから、巨大で激しい波が地球表面を洗い続けていた。また、太古代の地球ではたとえ島ができたとしても潮汐波によって洗い流され、41-38億年前の後期重爆撃期の巨大隕石によってできたクレーターも埋められて平らになったであろう。

モデルによると、24億年前には１日は21時間と長くなった。そのあと、約10億年間は一定のまま推移した。地球の重力と月の引力が釣り合ったためである。バランスは完全ではなかったため、７億年前から再び自転速度が遅くなり、現在では約24時間になっている。ここ数億年は地球の自転が遅くなる（＝月が遠ざかる）割合もほぼ一定である。現在の月までの距離の変化は、アポロ計画で月におかれた鏡を利用して、毎年3.8 cmと観測されている。

+++　物質の三態　+++

物質は温度によって固体、液体、気体と変化します。この変化を物質の状態変化といいます。物質の状態は、物質を構成する分子の集合する状態です。分子は熱運動をしていますが、分子の間には引力が働きます。固体は粒子が規則正しく配列し、その位置を中心に熱運動をしています。加熱すると分子の振動は激しくなります。加熱を続けると熱運動のエネルギーが分子の間の引力に近づき、分子の配列が崩れ、自由に位置を変えられるようになります。この時、物質は固体から液体に変化します。さらに熱を加えると、分子運動のエネルギーは分子間の引力より強くなり、分子の集団は気体となって液体を押しのけて膨張します。地球上では泡となって上昇し、沸騰します。

加熱すると固体、液体、気体の温度は上がります。しかし、固体が液体に変わるときに、また、液体が気体になるときに熱エネルギーが状態を変化させるのに使われ、加熱しても物質の温度が変化しない時期があります。固体が液体に変化することを融解と呼び、その時の温度を融点と呼びます。水を例にとれば、氷が水に変化することを融解、その時の温度は０℃です。

物質の状態変化の温度は圧力によって変わります。圧力が高い状態では融点、沸点は一般に高くなり、逆に圧力が低くなると低くなります。

二酸化炭素の固体はドライアイスですが、地球上の１気圧の時は液体状態が存在せず、直接固体から気体に変化します（昇華）。しかし、高圧下では液体の二酸化炭素ができ、温度が上がれば沸騰して炭酸ガスになります。水も圧力の低い宇宙空間では液体になることができず、昇華して水蒸気になります。

圧力を高くすればどんどん融点と沸点が上がるかというとそうではありません。圧力と温度と物質の状態をグラフにしたのが物質の状態図です。加圧することで水を液体のまま温度を高めていくと約380℃で超臨界流体になります。この状態では密度は液体ですが、運動性は気体。水もしみこまない物体の隙間でも水が入り込んでいきます。二酸化炭素は31℃で超臨界流体になります。温度が低いので洗浄や物質の抽出に使われます。

+++　ゾルとゲル　+++

物質の状態変化は純粋な物質の場合は物事をうまく説明できますが、身の回りには純粋な物質より、さまざまな混合物のほうが多いと思います。そのような物質の状態はゲルとゾルをイメージすればよいと思います。ゾルは流動性のある状態、ゲルは流動性のない状態です。

ゾルは液体内で粒子を分散させることで生成されます。典型的な例は泥水。食品にはゾルが多く、例えば、みそ、ジャムやマヨネーズです。

気体のゾルもあります。エアロゾルと呼びます。エアロゾルの場合は気体に注目せずに分散されている微粒子が着目されます。花粉や黄砂、粉塵、PM2.5など。

温度によって性質が変化する高分子の分子を含む水溶液は、温度を上げることでゾル状態からゲル状態に変わるものもあります。典型的な例は卵ですね。生卵がゾル。ゆで卵がゲルです。

ゲルはゾルに分散している高分子同士が手を繋ぎ合わせ（架橋）出来たものの総称です。形があるので固体の仲間とみてよいかと。とはいうものの粒子自体の割合は低く、液体がほとんどの体積を占める場合が多い。架橋が共有結合だと温度を上げても壊れませんが、分子間力だと温度を上げるとゾルになります。ゲルの代表例はプリンやゼリー、寒天です。

ゲルから液体を除去して空気にしたものがエアロゲルと呼ばれます。空気をたくさん含んでいますが、形は保っている。非常に軽い物体です。

20．大気・・・地球表面の冷却 [水]


45億年前、マグマオーシャンで覆われていたが、マグマオーシャンから滲みだしたガスの大気をまとっていた。マグマオーシャンが固化した後、火山活動や隕石の落下により大気が補給された。長い間に軽い水素やヘリウムは宇宙へ逃げていき、安定で重い窒素が主成分になった。酸素は30-35億年前まではほとんどなかった。

初期の雨には塩化水素が溶け込んでいたため、強い酸性であった。塩酸の雨水は地上の岩石と接触して、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ナトリウム、カリウム、鉄などのイオンを溶かし出し中和された。

海が中和されると、大気中の大量の二酸化炭素が原始の海に溶け込み、カルシウムイオンや重金属と結合し炭酸カルシウム(石灰岩)となって沈澱した。原始大気中に含まれていた二酸化炭素は10気圧ほどに低下し、二酸化炭素による大気の温室効果が和らいだ。大気成分の90％が二酸化炭素で、残りは窒素であった。海洋地殻の熱水噴出孔では炭酸塩鉱物が晶出するため、噴出する熱水中の珪酸塩濃度が上昇し、また、海水中のカルシウムイオンが減少して、リン酸の濃度が上昇した。

小さな隕石の衝突実験からは隕石は海面でいっきに粉末化することがわかった。そのときに有機物は摩擦熱による分解を免れたかもしれない。また、微細な隕石は大気がクッションになって終末速度に達し、海に連続的に降り積もっていた可能性がある。地球の形成後、微細な隕石が大量に残っていたとすると、その有機物が地球上に供給された可能性が考えられる。

宇宙塵のうち、マイクロメートルサイズのものは空気抵抗で減速されてゆっくりと地球に降ってくる。40億年前くらいで隕石が運び込んだ有機物は1年あたり数トン、彗星が運び込んだのは数百トン、宇宙塵は数十万トンにも及ぶと推測された。宇宙塵の有機物は不溶性の複雑なものが多かった。

プレート・テクトニクスにより海水中の重金属がマントルに運ばれた。初期の地殻であるコマチアイトはプレート・テクトニクスによりマントルに沈み、地表には玄武岩質の地殻が作られた。鉄などの重い金属の大部分が核として沈みこんだとすると、地表に残るのは酸素、炭素、窒素、ケイ素、マグネシウム、硫黄、アルミニウム、ナトリウム、カルシウムなどである。炭素、酸素、窒素は生物を構成する有機物を作る骨格を提供する。これらの元素は揮発性の分子を作る。

太陽はこの1.2万年間に8回スーパーフレアを起こしている。１億年では７万回になる。スーパーフレアの高エネルギー粒子により地球大気では年間数万トンのアミノ酸が生じた可能性がある。高エネルギー粒子は宇宙塵の氷の微粒子を突き抜ける際に分子量1000程度の有機物が形成される。これが水中で加水分解されるとアミノ酸などの分子ができてくる。

現在の地球全体の熱収支を記しておこう。コアからマントルへは7x1012W。マントル内での放射性同位元素からの熱供給が20x1012W。宇宙へは46x1012W。したがって、コアはできたときから1000℃ほど温度が下がり、マントルは400℃ほど温度が下がったと計算される。

+++　大気中では小さな粒子は漂う　+++

太陽系空間にある粒子は、位置エネルギーに応じた運動エネルギーを得て、太陽へ向かって落下します。運動の方向が惑星などによって逸らされると、楕円運動をします。運動に対して大きな摩擦抵抗が発生しないので、運動は規則的であり、ほとんど減衰しません。

それに対して地球には大気があるため、運動の様子が変わります。特に、小さな粒子は落下することなく、空気中を漂うようになります。

空気中を漂うような液体または固体の微小な粒子をエアロゾルといいます。われわれの周りにあるエアロゾルは、その生成過程の違いから粉じんとかフューム、ミスト、ばいじんなどと呼ばれ、また気象学では、視程や色の違いなどから、霧、もや、煙霧、スモッグなどと呼びます。エアロゾル粒子は、粒径や化学組成、形状、光学的・電気的特性など多くの特徴があり、その性質はきわめて複雑です。例えば粒径についていえば、分子やイオンとほぼ等しい0.001μm＝1nm程度から花粉のような100μm程度まで約5桁にわたり、また個数濃度についても、清浄空気の10個/cm3程度から発生源近傍の数百万～数百億個/cm3程度まで 7～8 桁にもわたります。

エアロゾルの発生源は人工的な装置だけではありません。火山活動や、細かい土壌の粒子が風で舞い上げられたもの、波のしぶきが乾燥して微粒子となったものがあります。雲は無数の微小な水滴からできていますが、この水滴はエアロゾルが核となってできています。エアロゾルの個数や成分の変化によって、雲の生成量などが変化し、天気に影響します。また、大気中に浮遊しているエアロゾルが，日射（太陽放射）を散乱・吸収することによって、地表に到達する日射量が減少し、大気が得る熱エネルギーが減少します。エアロゾルは気候にも関わっています。

中緯度から高緯度地方で、雪の核になっている物体を調べた研究が発表されました（Science 319, 1214, 2008）。驚いたことに、ほとんどが細菌由来の物質。特に、凝固したときの温度が高いときは69-100%が細菌由来でした。このことから、細菌が地球上のあらゆる地域で雨や雪の核となって降水を誘発している可能性を示唆しています。

誕生間もない地球は濃い大気を持っていたことから、大量のエアロゾルが空気中を漂っていたことでしょう。そして、大気や海の化学成分に大きな影響を及ぼしたと思われます。地球の上空では隕石の燃焼や稲妻、宇宙線の放射などで大量の活性低分子ができたはずです。これらの分子は高空を漂うエアロゾルに溶け込み、雲となり、地上に落下する間に水分が蒸発、濃縮されて、生命の材料となる高分子が誕生した可能性もあるのではないでしょうか。しかし、その実状について推測する材料がありません。

+++　水分子は水素結合で結ばれる　+++

水分子は酸素原子O２個と水素原子Hが共有結合で結合しています。H２O（２は下付）と書きます。酸素をはさんで水素が結合しています（H-O-H）が、その角度は180°ではなく、104.5°です。酸素原子を正四面体の中心に置いたとき、O-H結合はこの酸素原子から正四面体のほぼ頂点方向に伸びています。正四面体の中心角は109.5°ですから、全く同じではありません。正四面体はマッチ棒6本で正三角形4個を作るパズルでおなじみ。4面が正三角形です。水分子を正四面体になぞらえたとき、残りの２つの頂点方向には酸素原子の2個の非共有電子対（孤立電子対：電子が2個ペアになって他の原子との結合性を失ったもの）があります。

酸素原子は電子をひきつけやすく（電気陰性度が大きいといいます）、水素原子は酸素原子に電子を奪われます。電子を粒として捉えると変な話になりますが、電子を存在確率の雲（電子雲）として捉えると少しイメージしやすくなります。電子雲は酸素原子に引っ張られ、酸素はちょっとマイナスに、水素はちょっとプラスになります。分子内にできた電子雲の偏りを極性と呼びます。水素は電子１個しかないので、電子雲がちょっと偏っただけで比率としては大きな極性ができます。水素は電子分布の偏りによる結合を作りやすい。

そこで、ちょっとマイナスの酸素原子とちょっとプラスの水素原子の間に電磁気力による結合ができます。このような結合を水素結合と呼びます。酸素原子のマイナス電荷は非共有電子対の電子雲になりますので、正四面体の水素の方向と別の2方向になります。

液体と気体の界面にある液体分子は左右、下にある隣の分子と結合しています。しかし、上には結合する分子がありません。表面の分子では内側に引かれる力が大きくなり、表面張力を発生します。分子間力が大きい液体ほど表面張力は大きくなります。水の表面張力は水素結合により水分子が互いに大きな力で引き合っているため、大きな表面張力を持ちます。

身近のところで、水より表面張力が大きい液体は水銀です。水銀原子が金属結合により強く結ばれているからです。映画ターミネータ2に登場する液体金属のターミネータ。液体窒素で凍結し、銃で粉々になった後の復活シーンをイメージするといいでしょう。溶融した鉛や鉄も大きな表面張力をもっています。

水素結合はイオン結合や共有結合より弱い結合で、原子間の距離も大きくなります。水が凍って氷になるとき、水分子を固定するのが水素結合です。一つの水分子は最大で４つの水分子と水素結合し、六方晶系の結晶構造となります。液体のとき、水の水素結合の数は０～４個です。水分子は水素結合しないときのほうが分子間の距離が小さい。水を冷やすと、他の液体と同じように体積が小さくなりますが、約４℃で最も比重が高くなった後、分子あたりの水素結合の数が増えて氷に近づき、隙間が多くなります。０℃で水分子は４つの隣の水分子と水素結合し、分子の間の距離が最大になります。逆に密度、比重は小さくなります。氷は比重0.9で、４℃での水の比重１に対して浮きます。

もしも氷が水よりも重ければ､湖水や河川や､海でも表面が冷やされると、氷は底に沈み、やがて水全体が凍ります。実際は水は氷の蓋でがっちりと保護され、氷は大気によってどんどん冷えて零下になりますが、その下は液体の水の状態を保ってくれます。４℃で死ななければ生命体は水の底で生存できます。

21．プレート・・・テクトニクス前の地殻 [対流]


地球のプレート・テクトニクスのシステムによってできた岩で、今までに発見された最古の岩は38 億年前のものである。海底が分裂するのに伴い形成された一連の岩が国際研究チームによりグリーンランドで発見された。したがって、プレート・テクトニクスのシステムは比較的早い時期に始まったと考えられる。この岩はオフィオライトと呼ばれ、海洋地殻がそのまま地上に露出した特徴的な層構造をしていて、厚さは約10kmと海洋地殻の厚さであり、様々な種類の火山岩を含んでいる。

月の白い部分（高地）を作っているのは斜長岩。斜長岩はマグマオーシャンに浮き、最初に形成された岩石である。また、月にはKREEP岩と呼ばれる岩石がある。マグマオーシャンが冷え固まったとき、最後まで残っていたマグマに由来する。すなわち、結晶しにくい成分が濃縮されている。Kはカリウム、REEはレアアース、Pはリンである。KとPは生命に関係が深い。現在、地球上でKREEP岩が残っていないのは浸食されたためと考えられる。そのあとに起こった火山活動によって海の部分ができた。玄武岩である。

44～38億年前には地球は冷えて海ができた。地球には地殻が形成されたが、温度が高いため、十分に硬くなく、プレートというような大きな一枚岩にはなっていない。また、密度も低いのでマントルに沈み込むことはなかった。ところどころで地殻がひび割れてマントル由来の溶けた岩が噴出し（ヒートパイプ、heat pipes）、地殻の底から冷えた岩がマントルに落ちていた（ドリップ、drips）。このような状態を不動蓋型（stagnant-lid）テクトニクスと呼ぶ。表面にひびが入った地殻が押し合いへし合い、裂け目から溶けた岩石が噴き出すようなイメージである。海のない惑星ではこの形のプレート・テクトニクスが観察される。

隕石の落下や、地球からの距離が近かった月の潮汐力によって、大気と海は激しく撹拌された。冥王代の地球表面では数百枚のプレートがひしめき合うがどちらも若いプレートなので沈み込みが起きにくい。そこでプレートが大きく褶曲することになった。プレートの下に潜り込んだプレートからマグマができるのではなく、プレートがぶつかったところで折り曲げられたプレートがマントルに押し込められてマグマになった。この場合、プレート境界では褶曲山脈が形成され、境界に沿って火山が形成された。マグマは両側から圧迫されて海中に噴出し、やがて島となった。プレート境界に沿って弧状列島が形成され、成長した。

38～25億年前には地殻は冷えて硬くなり、部分的にプレートが形成された。リフト（海嶺）が形成され、プレートが移動してプレート境界で沈み込むようになった。近くは現代ほど深くまで沈み込まなかった。30億年前にはプレートにはマグネシウムや鉄が豊富に含まれていた（mafic）が、25億年前にはケイ素が主体の（felsic）岩石に変わり、密度も低くなった。地殻が軽くなった分、厚い大陸がマントルに沈まなくなった。ケイ素が主体の岩石は沈み込み帯で水と熱とで形成さる。最古のfelsic岩石は38億年に遡る。ジルコンの形成からもこのころから沈み込み帯があったと推測される。岩石の証拠から33~34億年前には山脈があったと推測される。

28億年前から孤立していた沈み込み帯がつながり始め、現在のような全地球的なプレート・テクトニクスは25～18億年前に完成した。このころには初めての超大陸ヌーナが形成された。しかし、沈み込み帯が現在ほど深くなるのは岩石の証拠からは8億年前。プレート・テクトニクスの完成をこの時代に設定する研究者もいる。

+++　対流　+++

対流は重力場において上部と下部の温度差などがあった場合、下の熱を上に運ぶことで生じる流れです。同じ物質であれば熱による膨張で密度が低くなり、温度の高い物質が浮かび、温度の低い物質が沈むことで駆動力が生じます。対流というとみそ汁の中の流れを例にとることが多いですが、大気の対流により雲ができ、海の対流により豊かな漁場ができます。湖などでは湖面が暖められ、底が冷えたままなのでそのままでは対流は生じません。湖面を渡る風が湖面に流れを作り出して強制的な対流が起こります。

そして、マントル対流。重力場の下が熱く、対流現象に当てはまりますが、マントルは複雑な混合物です。成分によって密度が違うので複雑な流れが生じそうです。対流の速度は粘度が大きくなると遅くなります。マントルの粘度は液体に比べると桁違いに大きく、密度の差によるわずかな重さの違いが本当に駆動力になるのかイメージがわきません。

人間社会には対流と同じような現象はあるのでしょうか。社会に対流のイメージを当てはめるとすると、経済格差、人口密度などの差が駆動力になり、人やモノ、金の移動により地域的な差が小さくなっていく現象です。最終的には格差がゼロになることですが、どうもあり得ないようですね。なにか重力場のようなプラスアルファが必要です。

+++　水は様々な物質を溶かす　+++

水に溶けた分子は当然のことながら、水分子に囲まれています。溶質分子あるいはイオンがその周囲に数個の水分子を引きつけて結合し、一つの分子集団を作る現象を水和といいます。

イオンは電子の殻を完成させるために、電子を完全に取り込んだ（マイナスイオン）か、放出（プラスイオン）した原子もしくは分子です。水分子は極性（酸素と水素の間の電子雲の偏り）をもちますが、イオンの電荷があるとさらに大きな極性を誘導されます。イオンと水分子は結合しやすく（水和しやすく）なり、水分子の集団に溶け込みやすくなります。

すべてのイオンを発生する物質（電解質）が水によく溶けるわけではありません。電解質によっては一定の濃度にしか溶けないものもあります。溶けやすい電解質の代表例は塩化ナトリウムでほぼ完全に解離しています。一方、難溶性の塩には、炭酸カルシウム（石灰岩の主成分）があります。

極性を持つ分子はイオンと同じように水に溶けます。気体では二酸化炭素が代表例で、水分子1分子を取り込んで、炭酸になります。大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物が水に溶解すると、炭酸よりももっと強力な酸が生じます。工場や自動車から排出される酸化物が雨に溶けて酸性雨として地上に降りそそぐと、大理石やコンクリートの建造物に脅威を与え、また、森林を枯らします。

生体高分子ではカルボキシル基やアミノ基などの極性基に水和が起こります。水和によって分子の性質が変わり、例えば生体分子の反応を触媒する酵素の活性はその水和量に依存しています。

天然の有機物の多くは水に溶けます。高分子であるでんぷんやセルロースも少し熱を加えたりすると水に溶けます。もともとでんぷんやセルロースは水酸基という極性基をたくさん持っています。タンパク質は表面に多くの電荷や極性基を持ち、水によく溶けます。極性のない気体、窒素やメタン、ネオンなどもすこし水に溶けます。圧力が高いと気体が水に溶ける量が多くなります。また、温度が高いと水に溶ける量が減ります。金魚は水温が高いと酸素不足になります。

気体分子の周りには水素結合で結合した水分子の籠ができます。言い方を変えると、隙間の大きい、氷型の水の結晶の間を少し広げて気体分子が入り込む格好になっています。このような形をクラスレートと呼びます。水の籠は低温・高圧では安定します。クラスレートは安定した構造なのでクラスレート単位で結合し、濃度が高いと固体になります。海底1000mにできるメタンハイドレートは地球温暖化や海底資源として注目されているクラスレートです。

22. 生命・・・偶然と必然 [階層性]


現在の完成された生命システムを見ると、ひとつの生命現象に数百のタンパク質が関与していることに驚く。細胞共通の活動を列挙すると、遺伝子複製、遺伝子の転写、mRNAの翻訳・タンパク質の合成、分泌タンパク質の輸送、タンパク質の加工、脂質やアミノ酸の合成・分解、光合成、解糖系、TCA回路、膜ポテンシャルによるATP合成、タンパク質の分解、細胞内器官の分解、物質の分泌などがある。さらにこれらの分子装置の複製がなされる。

タンパク質は非常に複雑な分子であり、ナノマシンとして機能する。多種類のタンパク質が集合して巨大な構造体をつくり、共同して一連の作業を行う。遺伝情報を司るDNAはそれ自体では活動することができず、常にタンパク質の助けが必要である。遺伝子からタンパク質合成までのシステムはRNAとタンパク質が共同して営む。

膜構造も単なる外界の遮蔽だけではない。膜に埋め込まれたタンパク質が膜の両側に非平衡状態を作り出してエネルギー（ATP）生産を行い、また、神経パルスを送る。また、細胞外の栄養分を取り込み、情報分子をキャッチする。特に真核細胞では細胞内にも多くの折りたたまれた膜構造を持ち、隔離された場で特別な反応を進行させる。

実は生命が誕生した過程を解明するには、これ等の各々の機能単位が無機物からどのようにして誕生したかを解明する必要があるとともに、それぞれの機能単位がいかにして相互作用し、有機的な関係を作り出したかを解明する必要がある。部品がそろったとしても、それらを混ぜても生命体はできない。生命が誕生したのは必然であったのか。それとも途方もない時間における偶然の積み重ねであったのか。いまだに解明されておらず、また、解明される糸口さえ怪しい。

生命の本質は情報である。すなわち、分子を生命体として機能的に組み立てる情報が生命の本質である。生命の誕生を解明する鍵は、生命体情報の誕生、情報の物質的な基礎、情報が次の世代へ伝達するメカニズムにある。現在では、最初の遺伝情報分子はRNAと考えられている。しかし、タンパク質のアミノ酸配列の情報がRNA分子に書き込まれた必然性を考えなければならない。

これから数章の生命の誕生とその初期進化については、断片的な科学報告を元に、生命の誕生を必然とするためのストーリーを組み立てているために、岩田の推論が大きく入り込んでいる。

生命の起源に関する研究を整理し、時系列に沿ってならべるために、単純なものから複雑なものへと、生体を構成する分子、分子装置がどのように生み出されたかを考察する。以下、下記のような項目立てを予定している。遺伝の仕組みまでが部品の構築で、そのあとが部品の組み立てに相当する。

しかし、逆の考え方もできるのではないか。巨大な炭素の塊（グラファイト、フラーレンのような物質）が還元的な環境下で炭酸塩の岩石（石灰岩など）から地質学的に誕生した可能性、その炭素の山が海水中でゆっくりと分解しながら生体高分子を生み出した可能性である。以下の章でも繰り返し述べるが、生命活動に携わる分子群の濃密さは天然に生み出されたとは考えられず、強力な濃縮過程が必要だからである。分子が集合して細胞を組み上げたという単純なストーリーは熱力学の第二法則に反する。原始の地球に高エネルギー状態の山脈サイズの炭素ポリマーが誕生したと考えると、濃度と分子集合の問題は解決できそうだ。

生命誕生までどのくらいの時間があったのか。後期重爆撃期が終了した38億年前までが冥王代。そのあと、38-25億年前までが始生代(太古代)と呼ばれる。最初の細胞の化石（膜構造）が見つかったのは35億年前ほど前である。

+++　階層に分けると森羅万象を効率よく説明できる　+++

階層性とは、大きさが異なると別の構造が見えてくることを言います。階層を分ける場合は物差しを対数・指数的なものに変えます。異なる階層では変化が起こる時間のスケールや、働く科学法則が替わります。言い換えると、上下の階層をそれほど意識せずにその階層の現象を記述できます。例えば、化学反応は分子・原子の結合として法則を記述でき、特に原子核間力を持ち出す必要はありません。当然、階層は独立に存在するのではなく、上下の階層から影響を受けます。通常は下位の階層を構成する要素の運動や活動からその上位の階層の現象を説明できます。そして、階層を２つ以上関連付けて記述すると、学問領域となります。

生物においても、原子→分子（タンパク質、脂質、糖、核酸）→ 細胞内小器官→細胞→組織→臓器→生物個体→生態系という具合に階層性を見出すことができます。鉱物・岩石→山、川、地層など→海洋・大陸・大気のような階層があり、地球（惑星・衛星）や太陽→恒星系→銀河系→銀河団・泡構造→宇宙と階層を連ねることができます。各階層は下位の階層にある集団を構成要素として成り立ち、固有のスケールと変化に要する時間軸を持ちます。クォークから宇宙までを時間と大きさの対数軸上に並べると、人間を1(1m)とした場合、宇宙の大きさ（460億光年）は1026になります。クォーク（素粒子）の大きさは…ない。代わりにプランク距離10-35を採用するべきでしょうか。

各階層の構成要素は互いに作用しあい、自己組織化して構造物を作り、それらが上の階層の構成要素になります。逆に、ある要素の機能や性質を明らかにしようと思うと、要素をより基本的な細部に分け、それぞれの細部を個々に理解すれば、総体として元の要素を理解したことになります。この考え方を還元論と呼びます。

よりミクロな法則がよりマクロな法則を導くと考える物理学や化学の考え方はその典型であり、物質では大成功を収めました。ところが、この考え方を生物学や経済学に応用しようとすると、困難でした。還元論の立場からは、細胞の集まりから個体生物を説明できるはずで、また、分子の集まりから細胞を説明できるはずです。しかし、構成要素があまりにも多様で個性に富んでいるため、調べつくせないのです。同様に、社会や経済を人の集まりとする還元論的分析も同様の限界を抱えています。

+++　古代から少数の要素で万物を説明する理論があった　+++

古代ギリシャは多くの哲学者を輩出し、いずれも、自然界の成り立ちや変化について多様な説明がなされました。有名どころとしては、万物の根源が水であるとしたタレスです。アリストテレスは水・空気・火・土の四つの四元素説を唱えました。ギリシャ哲学では根源物質はアルケーと呼ばれ、ヨーロッパに引き継がれました。

根源物質はギリシャの専売特許ではありません。古代中国では陰陽五行説が有名です。陰と陽は対概念で、明暗、天地、表裏、上下、男女、剛柔、善悪、吉凶など、さまざまな現象を整理するのに便利です。五行は木、火、土、金、水の5要素で、アリストテレスの四元素説と同質です。

仏教で宇宙の万物を構成する５つの要素は地・水・火・風・空の５つで、五大・五智輪ともいいます。宮本武蔵の五輪書はこの「五輪」になぞらえて、武芸法の心得を綴ったもので、地水火風空の５つの巻があります。

では、イスラム教では？　キリスト教もですが、一神教のためか物質的な基本原理についての考察はありません。しかし、イスラム世界はヘレニズム文明を引き継いで、中世では科学･技術の最高峰に達しました。その後、キリスト教社会（ヨーロッパ）がイスラム文明を輸入し、実験･実証を基礎とした科学思想を確立したのは偶然ではないかもしれません。

23. 生命を作る単位分子の生成・・・空と海と海底 [フロンティア軌道理論]


生物体を造る生体分子は、炭素、窒素、水素、酸素を主要構成元素とし、硫黄、リンなどを含む。炭素、窒素は生体高分子の骨格を構成する。炭素は共有結合を作る4つの腕を持ち、窒素は3つの腕を持つ。酸素は2つ、水素は 1つの腕を持つ。これらの腕を完全につなぎ合う形で分子が構成される。炭素の骨格を中心とした化合物を有機物という。

海ができた頃の地球は厚い雲に覆われ、上空では太陽からの紫外線、宇宙からの粒子線、雷の放電により、水蒸気や二酸化炭素、窒素が反応性に富んだラジカルになり、化学反応で簡単な有機化合物が作られた。シアン化水素、シアノアセチレン、ホルムアルデヒドなどである。

宇宙には大量の有機物の原料が存在している。炭素質コンドライト隕石や彗星に含まれる炭素原子や水分子は太陽からやってくる紫外線や、粒子線で叩かれて活性化し、化学反応を起こして簡単な構造の有機物が合成された。金属鉄、氷、多いもので2-3％の有機物を含む。地球は後期重爆撃で隕石から大量の氷や揮発性有機物を供給された。地球に降り注ぐ隕石はもともと単なる砂粒の集合体であるために、温度が上がる前に高空で分解した。粒子は大気との摩擦ですぐに終端速度に達し、そのため、有機物は分解されずに大気中にもたらされた。

これらの分子は雨粒に溶け込んで海へと落下した。この頃は陸地がほとんどなかった。反応性の高い素材分子の大部分は水と反応したが、時には相互に反応して大きな分子をつくって安定し、原始の海に溶け込んで蓄積された。

金属鉄を含む隕石が海洋に落下すると局所的、一時的な超高温の還元的大気が生成する。隕石が海洋に衝突すると一瞬にして大量の水は超臨界水から超高温の気体となり、隕石や海底の鉱物成分も一緒に蒸発して衝撃後蒸気流となる。超高温の衝撃後蒸気流の中で水は水素と酸素に分解する。衝突体の中にある金属鉄と酸素は反応し、酸化鉄となる。衝突後蒸気流は一気に水素過剰の還元状態になる。同時に蒸発した硫化鉄やカンラン岩も衝撃後蒸気流を還元する方向に働く。衝突後蒸気流が超高温から温度が下がるにしたがって炭素は高温で生成していた水素と反応して炭化水素を初め多種多様な有機分子を生成する。フィッシャー・トロプッシュ合成として知られる化学反応で、触媒として鉄やニッケル、コバルトなど遷移金属を必要とする。これらの金属元素も高温で蒸発して共存している。

始生代（太古代）ではすでに地球金属核の成分対流による磁場が存在していて、太陽からやってくる荷電粒子から大気は保護されていた。火山の噴火では、還元性のガス、水蒸気とともに多くの稲妻が発生する。この環境を再現すると複雑なアミノ酸もできた。

最初に作られた低分子の有機化合物としてアミノ酸や核酸塩基がよく研究されている。これらは生物の重要な構成要素だからである。他の低分子化合物も多数合成されたと考えられるが、あまり研究されていないようだ。分子量が1000程度の有機化合物は生物界から多種類、大量に発見される。有用物質も多く含み、例えばビタミンや抗生物質などが含まれる。アミノ酸や核酸は数個から十数個の原子からなる分子量が100~300程度の分子である。これらの分子が海底の熱水噴出孔での高濃度金属イオンによる触媒作用、熱化学反応で分子量が1000程度の多様な有機化合物が合成され、蓄積された。一つの分子の中に複数の官能基を含むこれらの分子は集合し、新たな化学反応の土台となったであろう。

アミノ酸の生成はアルデヒドとシアン化水素、アンモニアを出発材料とする反応が有名である。そのほかにも、核酸塩基の分解なども考えられるのではないか。ホルムアルデヒドはポリマーを形成し、その構造から糖類が得られる。ホウ酸系鉱物は触媒として働く。糖には同じ分子でも多くの立体構造があるが、なかでも、フルクトース、グルコース、マンノースが安定であり、生命起原時に重要な役割を果たしたと考えられる。

炭素と窒素が二重結合で6個もしくは5個、環状に結合した分子をヘテロ環と呼ぶ。核酸塩基のひとつであるアデニンは六角形と五角形がくっついたヘテロ環構造を持つ。アデニンはシアン化水素とアンモニアから比較的簡単に合成される。アデニンのように窒素を含むヘテロ環分子では水素結合でお互いに緩やかに結合し、また、金属と錯体を造りやすい。分子内に二重結合を含むが、二重結合はラジカルと反応して高分子化しやすい。ただし、紫外線で分解しやすいので、核酸塩基は紫外線の届く地表や海面近くでは不安定である。

+++　原子の化学的な性質は電子が決める　+++

すべての原子はたった3種類の基本粒子からできています。電子、陽子、中性子です。考えてみると不思議なことです。原子の多様性は電子と陽子の数によって決められます。

メンデレーエフは周期律表を発見しました。多数の元素の性質を原子量（元素の重さ）、原子価（結合の数の比）、どんな元素と化合するのかを整理すると、原子量に対して類似した性質が繰り返し出現します。原子番号の概念のない周期律表で、不完全なルールしかありませんでしたが、とにかく表にしてみると、空欄があります。空欄に当てはまる性質を持つ元素が発見されて周期律表の正しさが確認されました。理論も精密になって、現在の周期律表が完成しました。整理する基準も原子量ではなく、原子核中の陽子数である原子番号になりました。

周期律表は一番外側に位置する（エネルギー順位が高い）電子によって説明されます。電子は2個でペアを作り、軌道を作ります。軌道がいくつか組み合わされて殻を作ります。軌道の種類や数についての規則は主量子数により整理されます。リチウム、ナトリウム、カリウムは殻の外側に1個電子を持ち、アルカリ金属と呼ばれています。また、フッ素、塩素、臭素は、電子がもう１個あれば、殻が完成します。ハロゲン元素と呼ばれています。アルカリ元素とハロゲン元素は一緒に置くと、電子が１個アルカリ元素からハロゲン元素に移動して、その結果どちらも殻が完成します。アルカリ原子は1個電子を失い、プラス電気を帯び陽イオンになり、ハロゲン原子は１個電子を受け取り、マイナス電気を帯びて陰イオンになります。そして陽イオンと陰イオンが引き合います。この結合はイオン結合と呼ばれます。

電子の取引可能な数は一番外側の軌道の数と、軌道の電子ペアの数できまります。原子番号が増えること、それは原子核の周りの電子の数が増えることです。電子はエネルギーの低い軌道から順番に席を占め、ペアを作りながら殻を完成させます。殻の外側に孤立した電子があるときは電子を失いやすく(陽イオン)、殻ができかかっていて電子の入る席があるときは電子を受け取りやすい（陰イオン）。

原子番号の大きな元素はいずれも金属の性質を持ちます。原子の内側の殻は十分な数の電子により埋められ安定です。外側ほど軌道の数が多くなり、軌道の間のエネルギーの差が小さくなります。また、内側の電子の遮蔽効果で、原子核との結びつきが弱くなっているとも考えられます。したがって、電子は隣の原子の同じレベルの軌道に移りやすくなっています。陽電荷を帯びた原子の周りを自由に軌道の間を移動できる電子群が取り巻くこと、これが金属結合です。金属が変形に対して柔らかく、また、鏡のような光沢をもつ性質は自由電子により説明できます。

+++　化学反応では反応する分子が接触する　+++

分子は空間でランダムに運動していますので、たまたまぶつかった分子が十分なエネルギーを持っていると化学反応が起こります。化学反応が起きるのに必要な最小のエネルギーを活性化エネルギーと呼びます。活性化エネルギーを得た分子は反応熱を放出して反応生成物になります。活性化エネルギーと反応熱は総量が異なっていて、熱の吸収あるいは発生が起こります。活性化エネルギーを得た状態を活性化状態（もしくは遷移状態）と呼びます。ラジカルは活性化状態の一つの形です。

反応前と反応後のエネルギーレベルの差が化学反応によって起こるエネルギーの放出・吸収に相当します。一般的に、高分子有機物質ほど合成したときに積み上げられたエネルギーが多く、したがって、合成されるには大量の活性化エネルギーを必要とします。分解反応の活性化エネルギーは低いので、高分子の場合、分解する方が優勢です。言い換えると、生体を作る高分子は、高温環境下では、分解のための活性化エネルギーを得てしまうので、不安定です。現在のところ、生命は高温環境下で発生したとする説が優勢ですが、否定的な意見もあります。

物質は様々な分子から構成されています。分子は数種類の原子が互いに結合して形成されます。化学反応とは、具体的には、原子の間の結合が切れたり、新たに形成されたりすることを意味します。原子のつなぎ方が代わると、分子の性質が変わります。化学反応では化学反応前とは違う物質ができます。

生物の活動エネルギーは化学反応によって生み出されます。生物の運動や変形は有機物が司ります。また、生物の体は有機物から構成されます。生命活動の原理も、生命の起源も、有機化学反応を避けて解説することはできません。

24. 生体高分子の誕生・・・熱水噴出口 [重合]


地殻の裂け目から高温のマントル由来のマグマが噴出して海により冷やされ、固化する。この繰り返しでヒートパイプの周りに海底山脈ができた。玄武岩の巨大な山脈が形成されると、地下からのマグマの供給が閉ざされ、山脈は冷えて沈んでいく。と同時に周りの地殻を引きずり込み、離れた場所の地殻が引き延ばされて裂け、新たなヒートパイプが形成される。玄武岩の海底山脈はマントルに沈み込み、底が熱で溶かされてマントルの中に落下し、少し厚めの地殻として安定化する。これが不動蓋型（stagnant-lid）テクトニクスのイメージである。

ヒートパイプで形成中の海底山脈の周りには山脈が沈み込むために断層ができ、多くの熱水噴出孔が形成された。地球が冷えるにつれ、水を含んだプレートが厚くなり、ヒートパイプは海嶺に変化し、プレートテクトニクスへと徐々に変化した。太古の地球は高温の海が広がり、そこから立ち上る水蒸気が厚い雲になって光を遮っていた。

生物の基本分子にはベンゼン環やヘテロ環をもつ環状有機化合物が欠かせない。これらの有機物は紫外線により分解される。有機物の種は天空や地上で合成されるが、雨に溶けて紫外線の届かない海へ落ちてきた。生命体に必要な生体高分子が誕生し、保存され、高次構造を形成した（これを化学進化という）場は紫外線の届かない海底であった。

生命の誕生の場は海底にある熱水噴出口の周りが第一候補である。理由の１つに分子進化系統樹の幹（出発点）に超好熱細菌が位置することがあげられる。現代の地球では超高熱細菌は海底熱水噴出口の周りから分離される。エネルギーの安定供給の面からも熱水活動域ほど都合の良い環境はない。地上の火山活動（温泉）、隕石の衝突説、雷などではエネルギーが数千万年にわたって不断に供給されることはない。

熱水活動域に形成されるブラックスモーカーの海水には高濃度の水素が含まれる。水素はマントルに含まれるかんらん岩が高温の海水と反応して蛇紋岩に変化するときに発生する。原始地球ではマグマが急冷してできるコマチアイトが地殻を形成したので、コマチアイトが水素の供給源と考えられる。現在の海底では500気圧以上の深海で、海嶺に由来する熱水活動域で20mmol程度の水素濃度が観測される。水素は二酸化炭素を還元して有機物を作るのに必須である。熱水噴出口の周りには酸化還元電位が形成され、物質の濃度差、温度差による安定した性能の燃料電池を提供する。有機化合物の合成に都合がよい。

また、熱水噴出孔の海水は、鉄、マンガン、銅、亜鉛などの金属イオンを普通の海水に比べて1000倍以上多く含んでいる。金属イオンは高温、高圧の熱水環境下で有機物を重合させる触媒として働く。

熱水噴出口は高温(200-350℃)、高圧(200-300気圧)の環境であり、大量の熱エネルギーが絶えず供給されている。海底地殻の裂け目からしみ込んだ冷海水が地底で熱せられて超臨界水となり岩石に浸透し、多くの物質を溶かしこんで噴出孔を上昇し、冷海水の中に噴き出し、再び冷却されるというサイクルができている。熱水噴出孔で起こる海水の加熱・冷却サイクルは化学進化を考えるときに都合がよい。生命活動の中核を担う有機高分子は高温環境では不安定である。海底熱水噴出口では高温で合成された有機物は直ちに冷却されるので、熱による分解を避けることができた。

海水が循環するので、有機分子は流れに乗って何度も熱水噴出孔を通過し、より複雑な分子へ成長した。有機物を含んだ海水が泥や岩石、地殻をくぐって濾過されることで高分子化合物は沈殿、濃縮された。例えば、サイクルを回るたびに反応が一段階ずつ進んだと考えると、生体高分子が直鎖状ホモポリマーである事実とよく合う。アミノ酸やヌクレオチド、単糖からタンパク質や核酸の合成が進んだと考えられる。

生体高分子は一般にアミノ酸、核酸塩基、糖の直鎖状ホモポリマーである。粘土鉱物の表面に吸着したアミノ酸や、ヌクレオチドが高分子化するという研究結果もあり、高分子生成メカニズムの一つであろう。太古代では規則的な結晶（鉱物の表面）に結合したアミノ酸、核酸塩基、糖、脂肪酸、炭化水素などの低分子有機化合物がポリマー（直鎖状ホモポリマー）になり、さらにそれぞれがランダムに結合する様式で化学進化が起こった。

そのほかの考え方として石油生成が考えられる。有機物を多く含んだ土砂が地底に埋没し、地下の高温・高圧下で脱水反応を受け、不飽和炭素結合を大量に含む石油のような物質に変わった可能性がある。石油状の低分子は化学反応を起こしやすく、常温常圧で容易に高分子化する。まとまった量の有機物が埋没して石油化すれば、現在の石油のように層をなし、濃度の高い有機物資源が生成しただろう。

揮発性の有機分子は上空で原始地球に降り注ぐ紫外線等で分解する。不揮発性の有機分子は海中に分散する。油のような密度が小さく非水溶性の分子は浮上し海面で凝集する。その場合、紫外線の降り注ぐ海面で分解されるかラジカル重合して高分子になる。アミノ酸や核酸、糖などの水溶性分子は海水に溶け、粘土鉱物に吸着して海底に沈殿する。一般に生物由来有機分子は粘土鉱物に親和性が高い。

地上で生命が誕生したという仮説の有利な点は濃縮である。潮汐作用による乾湿サイクルから物質の濃縮が起こり、高分子が合成されたと考えられる。生命誕生以前の進化、化学進化での問題点は高分子の供給メカニズムと、生命現象を生み出すための高分子の組合せと構造化がどのように達成されたかがポイントである。現在のところ、いくつか証明された合成反応が報告されており、それらを都合の良く組み合わせれば生命体ができそうである。しかし、どのように説明してもご都合主義に見えるのが難点である。

+++　代表的な生体高分子は糖、タンパク質、核酸である　+++

生物の体を作る巨大分子を生体高分子と呼びます。生体高分子は数種類のユニットが単一の官能基で結合した一次元的な構造をしています。生体を構成する高分子はユニットと、ユニットをつなぐ1種類の化学結合によって作り出されます。すると、1種類の化学反応を触媒するだけで、ユニットの組合せによって多様性を作り出せます。

糖のユニットは単糖であり、グリコシド結合で結合しています。糖はユニットが一列に並びますが、6本の結合腕をもつので、ときどき枝分かれをするなど、複雑な並び方をします。

タンパク質のユニットはアミノ酸で、アミド結合で結合します。タンパク質はアミノ酸が一列に並びますが、アミノ酸の組合せにより、すだれ状（平面になる）、らせん状（棒になる）、ループ状（鎖の折れ曲がり部分）などの中間構造体を経て、アミノ酸配列に依存した特定の3次元構造を形作ります。

核酸のユニットはヌクレオチドで、結合をリン酸結合と呼びます。糖（ペントース）とリン酸が交互に結合したバックボーンと、糖に核酸塩基がひとつ結合した形です。核酸はペントースの種類により、RNAとDNAの2種に分けられます。RNAは通常一本鎖で、核酸塩基は特定のペア（A:U、G:Cなど）で分子内で結合し、そのためにバックボーンが無理のない形で折れ曲がってくっつき（自転車のチェーンを思い浮かべて欲しい）、全体として折りたたまれた構造をとります。遺伝子の本体としてのDNAは通常2本鎖であり、核酸塩基のペア（A:T、G:C）で2本の鎖が接着し（ファスナーのようなイメージ）、2本のバックボーンは捩れて、らせん構造になります。いわゆる二重らせんです。

+++　生体高分子　+++

生体に含まれる有機物は主成分として炭素、窒素、水素、酸素原子を含みます。これらの結合する腕の本体は電子で、結合は電子が2個で1本作られます。それぞれの原子から1個ずつの電子が供給されて（共有されて）、共有結合ができます。片方から2個いっぺんに供給されることもありますが、その場合はイオン結合となります。

さて、高分子はどのようにしてできるのでしょうか。有名なエチレンからポリエチレンができる反応を見てみましょう。エチレンはH2C＝CH2という化学式であらわされます。水素Hと炭素Cは1重結合で結合し、２つの炭素は二重結合で結合しています。水素は腕1本、炭素は腕４本ですので計算が合います。水素は炭素としか結合していません。

さて、炭素の間の二重結合は4個の電子が関与していますので、そのうちの2個が、もう一つのエチレン分子の2重結合の間で1重結合をつくるのにつかわれると、－CH2－CH2－CH2－CH2－という形になります。切れた結合が2か所現れます。この繰り返しでCH2がたくさんつながったポリエチレン分子ができます。端はどうなっているでしょう？最後はHで終わりか、環状になるか。もしくは不純物の水や二酸化炭素などと化学反応した形になっているでしょう。

生物体を作る高分子の場合は水が取れて結合する形が多い。アミノ酸からタンパク質ができるアミノ結合は－NH2＋HOC＝O－から－HN―C＝O－ができ、H2Oが離れます。糖の場合はCOH＋HOCからC―O―CができてH2Oが離れます。核酸がつながるときはリン酸基―H2O3POH＋HOC―「リボース糖のOH基」から―H2O3P―O－C－ができてH2Oが離れます。このような合成反応を脱水反応と呼びます。逆に分解される場合は加水分解になります。生体高分子が合成される反応が水溶液中で誕生したことを示します。

紫外線や放射線などの高いエネルギーを持つ光子や電子が分子に照射されると、結合にあずかる電子2個が1個ずつに分かれ、結合が切断されます。分離した両原子はペアになっていない1個の電子をもつ化学種、ラジカルになります。ラジカルは化学的に不安定であり、きわめて反応性に富んで、相手を見つけるとすぐに化学反応を起こします。 相手は二重結合や電子雲が薄くなった原子核を持つ分子です。後者はわかりにくいですが、たとえば、二酸化炭素の炭素原子があげられます。

+++　化学進化の全体像　+++

今まで化学進化の研究で蓄積された500余りの化学反応をデータベースにし、さらに化学反応論から推測される化学反応を加えて6段階もしくは7段階の化学反応からどのような分子ができるかを総当り的に調べ上げたプラットフォームが開発されています。

例えば、アンモニア、水、窒素、メタン、シアン化水素の5つの分子からスタートした場合、6段階の化学反応で6200分子、7段階の化学反応で23000以上の分子が合成されます。さらに硫化水素を加えた6個の分子からスタートすると、6段階の化学反応で12000分子、7段階で36000分子が合成可能です。

この中には50分子の生体構成分子が含まれています。例えば、核酸の構成成分であるアデニン。尿酸やクエン酸も例として紹介されています。そして今まで知られていなかった24の合成経路が発見され、研究者はそのうちの20経路について確認済みです。

経路をたどると回路が形成できて一周すると同じ分子が2個に増えるような反応経路もありました。この反応経路が自己増殖的であることも実験で示されたのです。実際のところ、人間には合成経路を考えるときに分解過程を含めることに心理的に壁があります。コンピュータは意に介さず、あらゆる可能性を計算したためにこのような自己増殖的な反応経路を見つけることができたのでしょう。

最後に、これらの分子の中には界面活性剤的な分子も含まれています。これらの分子は集合するとミセルを形成し、条件によっては膜を形成します。生物は自らを細胞膜で包み、外界と境界を保ちますので、その構成成分の化学進化を考察する手がかりなるかもしれません。

アルゴリズムから導かれたほとんどの分子は生体構成分子ではありません。研究者は生体構成分子の特徴として3つの性質を挙げています。まず、水溶性が高いこと。熱力学的に安定であること。水素結合の授受のバランスが良いこと。これらの性質を満たす分子が選択的に化学進化時代の生化学反応の萌芽として選択されたのでしょう。アルゴリズムに太古代の地球で触媒として働いたであろう表面や金属イオンの働きを加えることで一層多くの分子と反応経路が追加されて化学進化の全容が組みあがることが期待されます。

25. 炭酸同化作用・・・有機物の成長 [触媒]


アンモニアとシアンは核酸塩基を含むたくさんの高分子を作り出す。この過程が同時に進行すると、爆発的な種類の化合物が作り出される。ところが、リン酸があると、この反応がある程度、制限される。実験ではリン酸存在下で2-アミノオキサゾールが合成される。この化合物はピリミジンを含む核酸の有力な前駆体である。また、揮発性があり、容易に固化する。すなわち、温度の上下により濃縮も可能であった。2-アミノオキサゾールからピリミジンを含む核酸が合成される過程では、糖と塩基とリン酸基が結合する反応を考える必要がなく、原始地球での核酸合成の謎がひとつ解決する。

葉緑素（クロロフィル）や血色素（ヘム）は金属イオン（クロロフィルではマグネシウム、ヘムでは鉄）にヘテロ環分子が配位し、錯体を形成した分子である。核酸塩基などヘテロ環分子は紫外線を吸収して活性化状態になる。核酸などヘテロ環分子がたくさんつながった分子は紫外線で活性化される。太古の地球で重金属イオンとヘテロ環分子で構成された錯体が誕生し、太陽光で活性化し、金属イオンの触媒作用で水と二酸化炭素からホルムアルデヒドが大量に作られたのではなか。

重金属錯体の触媒で二酸化炭素と水素が反応するとホルムアルデヒドができる。ホルムアルデヒドは反応性に富む物質で、それ自身でつながり合う性質があり、パラホルムアルデヒドか糖ができる。また、水素結合を形成する基と反応して結合する。その結果、分子内、分子間の結合が起きる。生物の体を作る分子（糖、タンパク質、核酸など）は水素結合を豊富に持ち、ホルムアルデヒドと反応する。アルカリ性の液体の中でホルムアルデヒドは多種類の糖を作り出すポリマー合成反応を起こす。糖の巨大ポリマーは不溶性で反応性が高い。

さらに想像を進めると、光エネルギーを使って二酸化炭素からホルムアルデヒドを作り出すヘテロ環-重金属イオン錯体は、生産物であるホルムアルデヒドで連結して安定し、大量に蓄積されたのではないか。これが光合成の起源ではないかと思う。

硫化鉄を硫化水素で還元して黄鉄鉱を生じる反応は二酸化炭素を還元してホルムアルデヒドや蟻酸を生成する。光の届かない深海では化学エネルギーによる炭酸同化が自発的に発生した。その結果生産される鉄硫化物は不溶性で、泡状に析出する。炭酸同化の触媒中心が硫化鉄のカプセルに包まれ、細胞のもとになったかもしれない。ホール＆ラッセル仮説という。太古代の生物のエネルギー源は水素で二酸化炭素を還元する方法しかなかった。硫化水素や二価鉄は還元環境が同じ状態だと二酸化炭素と反応することなく、共存する。水素はマントルの主要成分である橄欖岩が水和する反応から発生し、熱水噴出孔から供給された。

海底から噴出した熱水は、周囲の冷たい海水と急激に混合しながら浮き上がる。上昇とともに熱水の希釈はどんどん進み、海底面からおおよそ数百メートルに達したあたりで、熱水は周囲の海水と温度（密度）が等しくなる。浮力を失った元熱水は等密度面を水平方向に広がる。元熱水は薄められてはいるが細かい硫化物や酸化物の沈殿を含んでいる。

+++　生物はエントロピーが低い集合体　+++

熱力学的な方程式の一つの項として表れるエントロピーの概念は定量的に捉えるのが困難です。一般に乱雑さとして表現され、エントロピーが低い場合は秩序だっていて、エントロピーが高い方は乱雑であるとされます。AとB がくっついているとエントロピーが低く、独立に運動しているとエントロピーは高い。イメージしにくいのは、エントロピーを定量的に考えるには、その系を構成する要素全体の振る舞いを統計学的な計算により定量的に考えなければならないからです。

系のエントロピーは不可逆的に時間と共に増大する。これは有名な熱力学の第二法則です。一般に、多くの分子が固定されているとエントロピーが低い状態です。生物の体は分子が集合した多くの構造物から成り立ちますから、エントロピーは低い状態です。生物は死ぬと細胞や有機物は分解し、徐々にエントロピーが高い状態に移行します。生物はエントロピーを低く保つために、エントロピーの低い物質を取り込み、エントロピーの高い物質を排出します。また、化学エネルギーを使って（呼吸）、系のエントロピーを低い状態に保ちます。言い換えると、構造物を常に作り、壊し続けます。

+++　化学反応とは分子を形成する原子の配置替えである　+++

物質は様々な分子から構成されています。分子は数種類の原子が互いに結合して形成されます。化学反応とは、具体的には、原子の間の結合が切れたり、新たに形成されたりすることを意味します。原子のつなぎ方が代わると、分子の性質が変わります。化学反応では化学反応前と後では違う物質ができます。

生物の活動エネルギーは化学反応によって生み出されます。生物体内の化学反応はタンパク質などの有機高分子が制御しています。生物のすべての活動、運動や変形、細胞の分裂などは有機物が司ります。また、生物の体は有機物から構成され、その生合成も有機物が制御します。生命活動の原理も、生命の起源も、有機化学反応を避けて説明することはできません。

+++　触媒反応は特異な表面を利用する　+++

白金は触媒の代表例です。金属表面に2種類の分子が結合し、その間で分子を覆う電子雲が変形して化学結合が切り替わります。酸化チタンは光のエネルギーによって吸着した酸素を分解して活性酸素を発生します。これで低分子有機物を酸化（燃やす）し、二酸化炭素と水に変えます。臭いの元やホルマリンなどを分解します。細胞の代謝は酵素が触媒として働きます。

表面で起こる反応としては光触媒が挙げられます。太陽光のエネルギーを利用して、水を水素に分解したり、環境汚染物質・有害物質を分解したりする活性があります。無機物表面に結合した分子で起こる化学反応のメカニズムも解析が進んでいます。表面に光エネルギーを吸収する色素分子を効果的に配置することができれば、現代のエネルギー問題や環境問題に対して有効な技術を提供できることでしょう。

世界全体で生産される化学物質の80% 以上が触媒プロセスを利用して作られているそうです。触媒が実用化される条件は、高速で、スケールアップが可能で、高い確率で生成物を作り出すことです。効率のよい触媒はいまでも需要が高く、盛んに研究・開発されています。単純な均一触媒だけでなく、不均一触媒、生体触媒が注目されています。なかでも切望されているのは、酵素と同等以上のキラル（立体異性体）効率を示す分子触媒です。天然酵素は耐久性に欠けるため、工業界では、塩、毒、酸/ 塩基に対する耐性があり、熱的に安定な合成酵素の要求が高い。

触媒反応は、活性化エネルギーを低くすることを特徴としますが、触媒反応を設計して経路を提供しても、吸熱反応をうまく進行させることはできません。必要なエネルギーを投入するか、生成物を分離して逆反応が起こらないようにします。現在行われている段階的な有機合成は、すべて熱力学的に下り坂の反応を組み合わせていますので、反応の組合せが制限されています。光で活性化エネルギーを与えるなど、光合成触媒反応に期待が集まっています。

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