誕生直後の宇宙は高温・高密度で、電子は原子核と結びつかずに自由に飛び回っていたため、光は電子にさえぎられてまっすぐ進むことができなかった。宇宙の誕生から約 38 万年後、宇宙が膨張して温度が約 3000 K まで下がると、電子が原子核に捕らえられて原子ができ、光が電子にさえぎられずにまっすぐ進めるようになった。このできごとを何というか。
ビッグバンと宇宙背景放射
ビッグバン直後の高温・高密度の宇宙、数分以内のヘリウム原子核の合成、約 38 万年後・約 3000 K での宇宙の晴れ上がり、約 3 K の黒体放射に一致する宇宙背景放射の由来について正誤を判定できる
前提
- 宇宙の膨張とハッブル・ルメートルの法則 （高校地学 恒星と宇宙（知識））
- 核分裂と核融合 （高校物理 原子（知識））
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説明
宇宙は約 138 億年前に、非常に高温・高密度の状態から膨張を始めたと考えられています。この始まりをビッグバンといい、その後の宇宙が冷えていく途中で、ヘリウム原子核の合成、宇宙の晴れ上がり、宇宙背景放射の発生という出来事が順に起こりました。この技能では、これらの出来事が「いつ・どんな温度で・何が起きたか」を整理し、宇宙の初期についての記述の正誤を判定できるようにします。
なぜそうしてよいのか
前提の技能で学んだように、遠方の銀河ほど速く遠ざかっており、宇宙は膨張しています。時間を逆にたどると、昔の宇宙ほど物質がせまい空間に詰まっていたことになります。気体を圧縮すると温度が上がるのと同じように、昔の宇宙ほど高温・高密度だったと考えられます。逆に、宇宙は膨張するにつれて冷えてきました。宇宙の初期の出来事は、すべて「宇宙が冷えていく途中で、ある温度を下回ったときに起こったこと」として理解できます。
ビッグバン直後の非常に高温の宇宙では、陽子や中性子がばらばらに飛び回っていました。誕生から数分以内に温度が少し下がると、陽子と中性子が核融合でくっつき、ヘリウム原子核がつくられました。ただし宇宙はすぐに膨張して冷え、密度も下がったため、核融合は数分で止まりました。このため、宇宙の初期にできた元素は、ほとんどが水素とヘリウムです（重い元素は、のちに恒星の内部などでつくられます）。その後も長い間、温度が高すぎて電子は原子核に捕まらず、自由に飛び回っていました。光は自由な電子にぶつかって進路をすぐに曲げられるので、まっすぐ進めず、宇宙は霧の中のように見通しのきかない状態でした。
誕生から約 38 万年後、温度が約 3000 K まで下がると、電子が原子核に捕まって水素やヘリウムの原子ができました。光をさえぎっていた自由な電子がいなくなったので、光はまっすぐ遠くまで進めるようになりました。これを宇宙の晴れ上がりといいます。このとき放たれた光は、その後の宇宙の膨張によって波長が引きのばされ（赤方偏移と同じしくみ）、今ではずっと低い温度の物体が出す放射のように見えます。これが宇宙背景放射で、どの方向からもほぼ同じ強さでやってきて、その波長ごとの強さの分布は約 3 K（およそ 2.7 K）の黒体放射（光を完全に吸収する理想的な物体が、その温度に応じて出す放射）とよく一致します。おもに電波（マイクロ波）として観測され、ビッグバンが実際にあったことの有力な証拠とされています。
手順
記述が宇宙の歴史のどの時期の話かを見分ける（直後・数分以内・約 38 万年後・現在）
数分以内の出来事: 陽子と中性子の核融合でヘリウム原子核ができた。初期にできた元素はほぼ水素とヘリウムで、重い元素はできていない
約 38 万年後の出来事: 温度が約 3000 K に下がり、電子が原子核と結びついて原子ができ、光が直進できるようになった（宇宙の晴れ上がり）
宇宙背景放射の由来: 晴れ上がりのときの光が、宇宙の膨張で波長がのびて、現在は約 3 K の黒体放射として全方向からほぼ一様に届いている
時期・温度・起きたことの組み合わせ、および「膨張して冷えた」という向きが正しいかを確かめて正誤を判定する
例題
宇宙背景放射について述べた文として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア 宇宙背景放射は、ビッグバンから数分後に、ヘリウム原子核がつくられたときに放たれた光である。
イ 宇宙背景放射は、宇宙の晴れ上がりのころに放たれた光が、宇宙の膨張によって波長がのびたものであり、現在は約 3 K の黒体放射のように観測される。
ウ 宇宙背景放射は、天の川の方向からだけ強くやってくる。
エ 宇宙背景放射の温度は、宇宙の膨張とともに高くなってきた。
例題の解答
手順 1 で、各選択肢がどの時期の話かを見分ける。
ア: 「数分後」はヘリウム原子核がつくられた時期である（手順 2）。しかし宇宙背景放射のもとになった光は、約 38 万年後の晴れ上がりのときに放たれた光である（手順 3・4）。時期の組み合わせが誤り。
イ: 晴れ上がりのころ（約 38 万年後・約 3000 K）に放たれた光が、膨張によって波長がのび、現在は約 3 K の黒体放射として観測される（手順 3・4）。正しい。
ウ: 宇宙背景放射は、どの方向からもほぼ同じ強さでやってくる（手順 4）。特定の方向からだけ来るという記述は誤り。
エ: 宇宙は膨張するにつれて冷えてきたので、約 3000 K だった放射が現在は約 3 K になった（手順 5）。温度が高くなってきたという向きが誤り。
よって答えはイ。
答え: イ
よくある誤り
宇宙背景放射を、ビッグバンの瞬間や数分後のヘリウム原子核の合成のときに放たれた光としてしまう誤り。正しくは、約 38 万年後の宇宙の晴れ上がり（約 3000 K）のときに放たれた光である。
晴れ上がりのときの温度約 3000 K と、現在の宇宙背景放射の温度約 3 K を取り違える誤り。正しくは、放たれたときは約 3000 K で、膨張で波長がのびた結果、現在は約 3 K（約 1000 分の 1）になっている。
宇宙の初期の数分間で、炭素や鉄などの重い元素までつくられたとしてしまう誤り。正しくは、この時期にできたのはほぼ水素とヘリウム（ヘリウム原子核）で、重い元素はのちに恒星の内部などでつくられた。
宇宙の晴れ上がりを「光が生まれたこと」や「原子核ができたこと」としてしまう誤り。正しくは、電子が原子核に捕まって原子ができ、光が自由な電子に散乱されずに直進できるようになったことである。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
ビッグバンから現在までの宇宙の歴史について述べた文として正しいものを、次のア〜オのうちからすべて選べ。
- ア 宇宙は膨張するにつれて温度が上昇していき、現在の宇宙は誕生直後の宇宙よりも高温になっている。
- イ 宇宙誕生後数分のうちに、陽子と中性子が結びついてヘリウムの原子核がつくられた。
- ウ 炭素・酸素・鉄などの重い元素は、その大部分が宇宙誕生直後の数分間の元素合成でつくられた。
- エ 宇宙誕生から約 38 万年後に温度が約 3000 K まで下がると、電子が原子核と結びついて原子ができ、光が直進できるようになった。
- オ 現在観測される宇宙背景放射は、宇宙の晴れ上がりのころに放たれた光の波長が、宇宙の膨張によって引きのばされたものである。
ビッグバンで始まった宇宙は、膨張しながら温度が下がってきた。誕生直後の宇宙は光が直進できない状態にあったが、やがて光が遠くまで直進できる状態に変わった。この出来事を「宇宙の晴れ上がり」という。宇宙の晴れ上がりについて述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア 宇宙の温度が下がって陽子と中性子が結合し、ヘリウムの原子核がつくられたことで、光が直進できるようになった。
- イ 宇宙で最初の恒星が誕生し、その恒星の光によって周囲のガスが照らされ、宇宙が明るく見えるようになった。
- ウ ビッグバンから約 38 万年後に宇宙の温度が約 3000 K まで下がり、電子が原子核に捕らえられて原子ができたため、光が直進できるようになった。
- エ ビッグバンから約 38 万年後に宇宙の温度が約 3 K まで下がり、電子が原子核に捕らえられて原子ができたため、光が直進できるようになった。
- オ 宇宙の晴れ上がりのときに放たれた光は、宇宙の膨張によって波長が短くなり、現在は X 線として全天からやってくる。
宇宙の膨張とビッグバン、宇宙背景放射について述べた文として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。
- ア 宇宙背景放射は、天球上のあらゆる方向からほぼ同じ強さでやってくる電波（マイクロ波）で、その強さの波長分布は絶対温度約 3 K の黒体放射によく一致する。
- イ 宇宙背景放射は、宇宙誕生直後に生まれた多数の恒星が一斉に放った光が、現在の地球に届いたものである。
- ウ 宇宙の温度が下がり、電子が原子核と結びついて原子ができると、光が電子に散乱されずに直進できるようになった。このできごとを宇宙の晴れ上がりという。
- エ ビッグバン直後の高温・高密度の宇宙では、陽子と中性子が結びついてヘリウムの原子核がつくられた。
- オ 宇宙が膨張しているため、遠方の銀河のスペクトルに見られる吸収線は、本来の位置より波長の短い側にずれて観測される。