内山茂男
彗星の核は“汚れた雪玉”にたとえられます。この彗星核は太陽のまわりを楕円運動していて、 太陽に近づくと太陽からの輻射熱を受けて“雪”が融けます。しかし、真空である太陽系空間では雪が融けても液体の水になれず、 気体となって吹き出します。このとき“汚れ”も一緒に彗星核から吹き飛ばされます。 この汚れ（塵・ダスト）のうち比較的大きいmmサイズのものが“流星物質”となるのです。念のために確認しておきますと、 この塵が地球大気に突入して美しく発光したものが“流星”で、 まだ太陽系空間を運動している“流星の素”を“流星物質”と呼んでいます。
さて、彗星核から放出された流星物質はその場に取り残されるわけではありません。 太陽系空間を独自の軌道で公転運動していきます。ただし、彗星核からの放出の速さは数十m/秒程度で、 公転の速さの1/1000程度しかありませんから、基本的には彗星とほぼ同じ軌道を通って、彗星と一緒に運動していきます。 ただし、全く同じ速度ではないので、彗星核から少しずつ離れていくことになり、 “ダストトレイル”と呼ばれるものを形成していきます。彗星が太陽のまわりを1周・2周とまわるにしたがって、 このダストトレイルは長く伸びていきます。例えて言うと、トラックの10000m走のようなものでしょうか。 一斉にほぼ同じ速さでスタートし、ほぼ同じ軌道を集団で公転します。しかし、完全に同じ速さではないので、 少しずつランナーが縦に細長く伸びていき、ランナーの間隔も開いていくとともに、 そのうち周回遅れのランナーも出てきます。ダストトレイルが細長いことや、 公転を繰り返すうちにどんどん長く伸びていきその分ダスト密度が減っていくことは、この10000m走と共通点が多いのです。
ここで流星物質の運動を、ケプラーの法則で確認しましょう。 ケプラーの法則は太陽からの万有引力で運動する天体において成立し、その質量によりません。 大きな木星も小さな流星物質も同じ法則に従って運動するのです。
ケプラーの第1法則 ： 惑星の軌道は楕円であり、太陽はその焦点の一方に位置する。
すなわち、太陽の引力を受け続けても、どんどん太陽の方に吸い寄せられていくわけではありません。 決まった軌道を公転するのです。流星物質が彗星核から放出されるのは、主に近日点付近です。 様々な方向に流星物質が放出されますが、全てこの近日点付近を通過する軌道を通るのです。 したがって、ダストトレイルは“細く”形成されます。
では、流星物質は様々な方向に放出されますが、まず、前方に放出された流星物質がその後にどうなるか確認しましょう。 これは、彗星核よりもわずかに速い公転速度を持ちます。すると、太陽の引力で曲げられる割合が小さくなり、 結果的に図のように大きな軌道を描くようになります。
ケプラーの第3法則：惑星から太陽までの平均距離の3乗と公転周期の2乗は比例する。
すなわち、軌道の長軸の長さが長い程、公転周期が長くなるということです。 先ほどの彗星核から前方に放出された流星物質は、軌道が大きくなる分だけ遠回りをするので、 1周するのに長い時間がかかるのです。彗星核から後方に放出された流星物質では全く逆で、公転速度が少し遅くなる結果、 軌道が少し小さくなり、公転周期が短くなります。ということで、 「加速すると遅く帰ってきて、減速すると早く帰ってくる」という、 10000m走のイメージでは考えられない、ちょっと不思議なことが起きているのです。 これは、彗星から放出された流星物質に限りません。 公転速度を変えるのが近日点付近でも、遠日点付近でも、どこでも成り立ちます。 地球のまわりを公転している人工衛星も同じで、ロケットエンジンで少し加速すると遅れて帰ってくるようになるのです。
多くの惑星の軌道は太陽を中心とする円に近いのですが、冥王星の軌道は太陽が中心からかなりずれていて、 海王星軌道の内側まで入っています。すると、 長い太陽系の歴史の中でこの2つの天体がAやBのところで衝突することはないのでしょうか？ 実際にはこの2つの軌道は立体交差となっているので、現在の軌道でぶつかることはありません。 しかし、長い太陽系の歴史の中では少しずつ軌道が変化するものですから、 2天体が衝突することが今後もないと言えるのでしょうか？
実は、この2つの惑星の公転周期にはおもしろい関係があります。 海王星は164.77年、冥王星は247.80年で、海王星が3周（494.31年）する間に冥王星が2周（495.60年）するのです。 1周差がつく495年ごとに海王星が冥王星を抜かすのですが、これが毎回同じ場所になります。 その位置は、現在図の Q のあたりで、海王星と冥王星が離れているところ。2つの天体は A や B の近くで近づくことはないのです。 でも、海王星3周と冥王星2周の年数は完全に同じではありませんから、 太陽系の長い歴史に中で少しずつ2天体が近づくようになりそうですね。 そこで、図の A の近くで、海王星が前、冥王星が後ろに位置してある程度近づいたとします。 すると、冥王星は海王星からの引力で少し加速されます （海王星は冥王星よりはるかに大きいので、海王星の運動は冥王星からほとんど影響を受けません）。 流星物質の話を覚えていますね。少し加速された冥王星は、軌道が少しだけ大きくなり、公転周期が少しだけ長くなります。 すると、495年後に海王星が3周して元の場所に帰ってきたときには冥王星はまだ2周していません。両者の距離が少し開くのです。 冥王星が前、海王星が後ろに位置してある程度近づいた時も確認しましょう。冥王星は海王星に引かれて、少しだけ減速します。 すると、公転周期が短くなり、495年後には冥王星はもう少し前に行って両者は離れるのです。
ということで、「大きな惑星の引力で引かれると、その惑星に近づかなくなる」という、 これまた不思議なことが起きるのです。
このように、引力を及ぼし合う結果「公転周期が簡単な整数比になり、近づきすぎない」という関係を共鳴（resonance） と呼んでいます。惑星の中で、最も引力が強いのは木星です。 この木星に近づかない関係のある小惑星や彗星はたくさん存在しています。
太陽をはじめとする恒星は、星間雲の物質（水素・ヘリウム・少々の塵） が集まってできました。では、どうやって集まったのでしょう？
この宇宙のすべての物質には万有引力が働いています。あらゆるものは引き合っているのです。 ただし「質量が大きいほど、近いほど、引力が強い」のです。 「星間雲の濃いところは薄いところに比べるとお互いの引力が強く、ガスなどが徐々に集まって星が誕生」 という説明を聞くことも多いです。 また、「近くで超新星爆発があると、その衝撃波で星間雲が圧縮され、それをきっかけに星が誕生する」という話もあります。 でも、熱エネルギーと気体の運動についても考えていきましょう。
まず、“温度が高い”ということは、どういう状況の事なのか確認しましょう。例えば、空気中には窒素や酸素の分子があります。 これらは空中に静止しているわけではありません。空気中の分子は音速以上の高速で乱雑に運動しているのです。 そして、温度が高くなるとこの乱雑な運動が激しくなるのです。この乱雑な運動を“熱運動”と呼び、 熱運動が激しい状態を“温度が高い”と呼んでいるのです。
恒星の誕生に話を戻しましょう。星間雲中の水素原子等が万有引力に引かれて集まってきます。 すなわち、水素原子等は引力で加速しながら集まってくるのです。そして周囲の原子等とぶつかり乱雑な熱運動になります。 ということで「気体が集まってくると温度が上昇する」のです。これは万有引力による場合だけではありません。 気体を圧縮すると、圧縮するときに気体分子等を押すので熱運動が激しくなる、すなわち温度が上昇します。 ガスが集まって温度が上昇するのですから、これで恒星が誕生しそうですね。でも、そう簡単ではないのです。
空気を暖めるとどうなりますか？ 膨張しますね。一般に気体の温度が上がると、内部の圧力が高くなり、 しっかりと密閉されていなければ膨張します。これは、熱運動が激しくなり、 分子や原子の衝突の衝撃が大きくなり（＝圧力が大きくなり）、 押し広げようとするからです。
恒星の誕生の際、万有引力で収縮すると温度が上昇します。温度が上昇すると、密閉されていないので膨張します。 あれ？「収縮すると膨張する」ことになり、ガス雲に戻ってしまいます。 これでは、ガス雲が集まって恒星になることができません。でも、宇宙には恒星がたくさんあります。 これらはどうやって誕生したのでしょう？ 実は“冷める”という現象が大事なのです。
どんな物体でも温度に応じた電磁波（光の仲間）を放射します。 我々の生活している温度では主に赤外線を、数千度では主に可視光線を放射しています。そして、 この放射エネルギー量は絶対温度の4乗に比例するので、温度がちょっと上がるだけで赤外線などの放射量はぐっと増えます。 表面温度を測定する“赤外線サーモグラフィー”はこの原理を利用して触らずに温度を測定しているのです。
恒星が誕生する過程で、星間雲のガスなどがちょっと収縮すると、温度が少し上昇します。 すると、赤外線を多く出すようになり（吸収より放出が多くなり）、冷めていきます。 すると膨張圧力が低下するので、万有引力で収縮できます。収縮すると温度が上昇し、より赤外線を放射します。 これを繰り返すのです。収縮して狭いところに物質が集まると引力が強くなるため、少々温度が上昇していても膨張しません。
通常、温度の高い物体は赤外線を放射して（エネルギーを放出して）温度が低下します。 でも、宇宙で引力によりまとまっている気体には 「冷める（エネルギーを放射する）と温度が上昇する」 という不思議なことが起きるのです。 これを繰り返して、原始星となり輝き始め（温度が高くなれば自然と可視光を放射）ます。 そして、中心付近の温度が1000万度程度に達すると「水素の核融合反応」が始まります。 すると、放射してエネルギーを失った分をこの核融合反応のエネルギーで補うため、温度が安定し、 主系列星と呼ばれる安定した恒星として輝き続けるようになるのです。
“大質量星は寿命が短い”ということを知っている方は多いですね。でも、これもちょっと変な話です。 多くのガスを集めた質量の大きい恒星は、燃料と言える水素もたくさん持っているのです。 したがって「燃料をたくさん持っている恒星は寿命が短い」 というこれまたちょっと奇妙なことが恒星では起きているのです。
一応、そのメカニズムも書いておきましょう。質量の大きい恒星は引力が強いです。 すると、その強い引力のために“中心付近は、より圧縮された状況”になります。すると、温度もさらに高くなります。 この高温高圧状態のため、核融合反応も激しくなります（＝恒星が明るく輝く）。 この反応は質量の4乗程度に比例するということです。すなわち、質量が10倍（＝燃料10倍）の恒星であれば、 燃料消費ペースが104=10000倍にもなり、その寿命はわずか1000分の1（＝10÷10000）に。 ものすごいペースで重元素を製造し、超新星爆発により宇宙空間に飛び散るわけです。
“マスコミが騒ぐと天文現象ははずれる”というジンクスがあります。 1972年のジャコビニ流星群や1974年のコホーテク彗星などが典型的ですが、 1976年のウエスト彗星や1996年の百武彗星などのように“騒がれずに”大彗星になった例もあり、このジンクスは馬鹿にできません。 このまがたま発行直後のアイソン彗星 (C/2012 S1) が心配になります。 このジンクス、物理的には何の根拠もないはずですが、やっぱり宇宙はあまのじゃく？？？
この文章は、私の所属する“さいたま☆天文同好会”の会報「まがたま」89号 （2013年11月発行）に掲載したものを、一部書き直したものです。 ちなみに、アイソン彗星(C/2012 S1)は近日点通過は11月29日で、その際に核が崩壊し消滅してしまいました。
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