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宇宙の未来

 投稿者:Legacy of Ashesの管理人  投稿日:2012年 9月25日(火)12時33分14秒
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  http://www.edu.kobe-u.ac.jp/fsci-astro/members/matsuda/review/mirai.html

宇宙の未来

宇宙の誕生とか、現在までの宇宙の歴史につい ては比較的よく理解されているが、宇宙の未来 はどうなのだろうか。われわれの太陽の寿命は ほぼ100億年であり、すでに46億年がすぎ た。だからあと50億年もすれば太陽はまず巨 星となって、地球を飲み込んでしまう。それま で人類がいたとしたら、その時には宇宙に脱出 しなければならない。地球を飲み込んだ太陽は その後は急速に小さくなり、地球ぐらいの大き さの白色矮星になってしまう。

その先の宇宙の運命はどうなるのだろうか。 宇宙のこれまでの歴史は、宇宙の構造にはそれ ほど敏感には依存しないが、未来の運命は宇宙 の寿命が有限か無限かによって大きく異なるの は当然のことであろう。

宇宙の現在の平均密度がある臨界的な値(ほ ぼ10-29g/cm3) より大きいと、宇宙の大きさは 有限であり、寿命もまた有限である。このタイ プの宇宙を閉じた宇宙とよぶ。閉じた宇宙の場 合、膨張している宇宙はいずれ最大の大きさに 達し、それからは収縮に転じる。そしていずれ はビッグバンのときと似た高温・高密の状態と なって終わる。これをビッグクランチとよぶ。 いっぽう宇宙の平均密度が臨界密度に等しい かそれより小さい場合は、宇宙の大きさは無限 大であり、寿命もまた無限大である。このタイ プの宇宙を開いた宇宙とよぶ。開いた宇宙はい つまでも膨張を続け、宇宙の平均密度と温度は 際限もなく低下するはずである。われわれの住 むこの宇宙がそのどちらのタイプに属するのか は、まだよく分かっていない。観測的には開い た宇宙に歩がありそうである。

もしわれわれの宇宙が閉じているとしたら、 宇宙の未来はどのようなものであろうか。宇宙 の現在の年齢はほぼ100-200億年くらい と推定されている。閉じた宇宙の年齢を推し量 るすべもないが、たとえば1兆年といったとこ ろであろうか。宇宙が膨張している段階では、 先に述べたように宇宙の平均密度、温度は低下 していく。宇宙が最大膨張にたっした後は、逆 のコースをたどり、密度、温度は増加していく そしていずれはビッグクランチとなって終わる ビッグクランチの百万年ほど前になると、宇宙 の収縮により高エネルギーとなった光により原 子は電離して、原子核と電子に分離する。クラ ンチの1年前になると宇宙空間を満たす輻射の 温度が星の温度より高くなり、星は溶け始める また銀河の中心核に存在した巨大ブラックホー ルは星の残骸や輻射を飲み込み始める。クラン チの3分前になると巨大ブラックホールどうし が合体を始め、宇宙は巨大なブラックホールと なって終わる。これが閉じた宇宙の運命である ビッグクランチとなって終わった宇宙が再生し て膨張を開始するかどうかは分からない。

つぎに開いた宇宙の運命について述べよう。 開いた宇宙はいつまでも膨張を続けていく。ち ょうど臨界密度の宇宙、つまり開いた宇宙と閉 じた宇宙の境目の宇宙について数値をあたって 見よう。現在の宇宙(1010年)の見える限りの大 きさはほぼ100億光年(1010光年)である。宇 宙の年齢が10100年になったとき、宇宙の見え るかぎりの大きさは1070光年にもなる。

さて宇宙の年齢が100兆年(1014年)になる ころまでに、あらゆる星は核燃料を消費しつく して、宇宙は暗闇になってしまうであろう。先 に太陽は50億年後には巨星となって地球を飲 み込むと述べた。しかし木星や土星は飲み込ま れないので、白色矮星となった太陽の回りをあ いかわらず回り続けているであろう。つまり太 陽系の寿命は太陽自体の寿命よりは長いのであ る。ところがもし太陽系の近くに他の星がやっ てきたとすると、木星や土星は星の重力のせい で弾き飛ばされてしまう可能性がある。つまり 太陽系の一家離散である。そのようなことは千 兆年(1015年)ほどで起こるであろう。

銀河系は2000億もの星の集団である。千 兆年たった後の銀河系は星の死骸ともいうべき 白色矮星、中性子星、ブラックホール、それに さまよえる惑星の集団となるであろう。銀河は ひとつの水滴にたとえることができる。水滴は その表面から常に蒸発により水の分子を失って 小さくなっていく。それと同様に銀河も星があ たかも水蒸気のごとく蒸発して銀河は痩せ細っ ていく。銀河はほぼ1018年たつと蒸発により大 部分の死んだ星は宇宙空間に飛び去り、そのあ とには銀河中心核に存在した巨大ブラックホー ルが残されるであろう。

このようにして宇宙はさまよう死んだ星と巨 大ブラックホール、それに宇宙空間を飛び回る 宇宙線粒子(そのほとんどは陽子)、ニュート リノ、光子で構成されることになる。ところが これが最後の姿かというとそうではない。大統 一理論とよばれる素粒子理論では、宇宙の基本 的構成要素の一つである陽子すら安定な存在で はなく1032年もすると陽電子、ニュートリノ、 光子に崩壊してしまうという。そのため死んだ 星であった白色矮星や中性子星を構成する陽子 が崩壊して陽電子となり、それが電子と対消滅 することによりエネルギーを発生する。そのた め死んだ星にも体温があることになる。その温 度は星の大きさによって異なるが、大きな星の 場合で絶対100度、軽い星で3度ていどであ る。この温度は現在の基準ではとても低温であ るが、この時代には宇宙の温度は10-20度にも 低下していることを考えると極めて高温である ともいえる。この時代まで生命が何らかのやり かたで生き延びたとしたら、かれらにはまだ使 用可能なエネルギー源はあるのだ。

ブラックホールですら完全に死んだ星ではな い。というのはホーキングが指摘したように、 量子力学的プロセスを考慮にいれると、ブラッ クホールはさまざまな粒子や輻射を放出して蒸 発していくのである。銀河中心核に存在する巨 大ブラックホールは、ほぼ10100年の程度の時 間をかけてゆっくりと蒸発していく。結局残る ものは電子、陽電子、ニュートリノ、光子であ る。

人間の体は基本的には陽子、中性子、電子で 構成されているのだから、どんなにあがいても こんな長い時間はもたない。しかしながら電子 と陽電子で構成されるポジトロニウムという一 種の原子をもちいたコンピュータを使って情報 処理装置を作れば、それが文明を維持していく ことも不可能ではないといわれている。

図 宇宙の大きさの時間的変化。 有限の閉じた宇宙はビッグバンから膨張を始め て、最大膨張に達した後は収縮して、ビッグクラ ンチで終わる。つまり寿命も有限である。いっぽ う開いた無限宇宙は永久に膨張を続ける。寿命も 無限である。

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