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原文

  • 刘婷 推荐于 2016-01-20 11:07
  • 原文语言:日文
  • 所属分类:自然
此原文由 社会万華鏡 推荐
「太陽の120億倍、説明不能なブラックホール発見」「あり得ないほど塵の多い初期銀河を発見」など、宇宙の話題はいつもニュースをにぎわせる。地動説や宇宙の膨張、ダークマターなど、大きな発見があると宇宙観まで覆される。そんな宇宙に関する大発見について、「どうやって発見されたのか」「なぜその発見が重要なのか」を詳しく解説する。

テーマ:原始地球と、火星と同じくらい大きい原始惑星とが衝突したときに産声を上げた月。

最初の発見:米国のアポロ計画で月面から持ち帰った石の試料によって、月の化学組成、そして「巨大衝突(ジャイアントインパクト)」モデルが裏づけられた。

画期的な発見:地球の軌道のどこかにできた天体が地球にぶつかった、と考えると、巨大衝突理論では答えられなかった疑問が解決できる。

何が重要か:月の起源と地球の歴史には切っても切り離せない深い関係がある。

月の北極軸の真上から見た月の表面。よく見慣れているはずでも、こんなふうに眺めると、この天体が長い年月の間にさまざまな激動を経験してきたことがわかる。地球の衛星とはいえ、その起源をたどりたくても、コンピューターを駆使したシミュレーションや、月面から持ち帰った月の石の試料に頼らなければ何もわからない。(NASA/JPL/USGS)
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月の北極軸の真上から見た月の表面。よく見慣れているはずでも、こんなふうに眺めると、この天体が長い年月の間にさまざまな激動を経験してきたことがわかる。地球の衛星とはいえ、その起源をたどりたくても、コンピューターを駆使したシミュレーションや、月面から持ち帰った月の石の試料に頼らなければ何もわからない。(NASA/JPL/USGS)
 月の起源については古くから、天文学者たちは頭を悩ませてきた。ほかの岩石惑星を見渡してみても、水星と金星は衛星を持たず、火星には小さな衛星が二つあるが、これらは惑星に捕獲された小惑星だと長らく考えられていた(このこと自体が現在疑われているのだが)。木星型の巨大ガス惑星(木星?土星?天王星?海王星)にはどれも、いくつかの衛星がある。その中には月よりも大きいものもあるのだが、そのサイズは親である惑星のサイズと比例していると考えてよい。したがって、太陽の周囲でこうした親の惑星たちが生まれたのと同じように、できたばかりのガス惑星を円盤状に取り巻いていた宇宙の塵からそれぞれの衛星たちが生まれた可能性が高い。

 そうであれば、月はどのようにしてできたのだろうか。最もシンプルな説は「双子説」で、太陽系のほかの惑星の衛星たちと同じように、地球と同じ塵やガスの集まった雲から、地球とほぼ同時期にできたという説だ。ところが、地球だけがその大きさのわりにほかの惑星よりもはるかにたくさんの物質があったことになる。このことを、この説で説明するには無理がある。

■「分裂説」と「捕獲説」

 ほかには、英国の天文学者ジョージ?ダーウィン(1845年~1912年)が提唱した「分裂モデル」がある。地球と月の間で働いている潮汐力によって、月は年におよそ4cmずつ地球から離れていて、地球の自転にブレーキをかけていることをダーウィンはきっちりと数値で示した。この二つの天体はもともと一つで、この大型惑星の自転があまりにも速すぎて、遠心力によって球体の一部が大きく引っ張られ、やがてこれが本体からはがれたものが軌道に弾け飛んだと考えた。ダーウィンは月の密度が低いことに注目し、月に堅い鉄の核がないのは地球のマントルの固まりからできているからだと主張してこの説を裏づけようとした。この分裂説は20世紀初期にかけて広く支持され、月が分裂したときにできた傷跡として具体的に太平洋海盆を指し示すこともあった。しかし1930年代になって慎重に数式を使った分析により、ダーウィンの説では本質的に無理があることが示された。

 第3の可能性として、太陽系の内側のどこかで単独で誕生した月が、地球の軌道に取り込まれたのだとする「捕獲説」がある。しかし、この説には不備がある。というのは、本来の軌道にいる地球に別の惑星が接近して捕獲されたら、地球は間違いなくかく乱されて深刻なダメージを受けるはずだからだ。多くの疑問が残ってはいるものの、月の起源については「双子説」がやはり最有力の学説だった。

■アポロが持ちかえった証拠

 1969年から1972年にかけて月に人間を上陸させたアポロ計画では月の岩石を382kgほど持ち帰った。その後10年間は、双子説にせよ、先に述べたほかのどの説にせよ、従来の説を反証する証拠に困ることはなかった。月と地球の岩石を比べてみると、興味深いことがいろいろとわかった。たとえば、岩石が酸素同位体を含む割合を見ると、どちらの天体も太陽系の同じ領域からできた可能性が高いことを示していた(つまり、「捕獲説」は却下される)。ところが、月の岩石には水分がなく、その起源となる天体が熱で溶けていた痕跡が残っていた。このことからは、月は双子説よりもはるかに強烈な出来事から生まれたことがわかる。こうしたはっきりした違いを理由に、「分裂説」もあっさりとしりぞけられた。

 幸い、可能性があと一つ残っていた。いわゆる、「巨大衝突(ジャイアントインパクト)説」だ。1946年にはすでに、ダーウィンの分裂説に少々手を加えた仮説をハーバード大学を退官したカナダ人地質学者、レジナルド?アルドワース?デーリー(1871~1957年)が発表していた。デーリーは、月を構成している物質は、自転の回転の速さから生じた遠心力ではなくて、大きな衝突によって地球から弾き飛ばされたと考えた。発表当時、このアイデアはほとんど無視されていたが、アポロ計画が持ち帰った新しい証拠によって、実にしっかりと裏付けられた。

 1970年代中ごろ、米国の二つの科学者チームがこの説をもとに詳しい調査を始めた。米国アリゾナ州ツーソンにある惑星科学研究所のウィリアム?K?ハートマンと、ドナルド?R?デイヴィスは、ソビエト連邦のヴィクトル?サフロノフが最初に唱えた惑星形成モデルの立場からこの説を検討した。地球の軌道周辺に比較的小さな天体ができ、そのうちのどれかがデーリーのいう衝突天体になった可能性がある、と彼らは結論づけた。かたや、ハーバード大学のA.G.W.キャメロンとウィリアム?ワードは衝突そのものが示す特徴を調べ、火星ほどのサイズの天体が本来の軌道を逸れて地球に衝突したのではないかという結論に到達した。この衝突で、衝突してきた天体の外側の表面からはケイ酸塩層が、地球からは途方もない量のマントルが蒸発し、鉄分を多く含んだ天体の核は傷を負った地球のマントルの中に沈み込んでいった。こう考えれば、月にはなぜ明らかに鉄を含んだ核がないのかがうまく説明できる

■地球のきょうだいでは?

 科学者たちがこうした研究を重ねてきたにもかかわらず、巨大衝突説がようやく広く受け入れられるようになったきっかけは、1984年にハワイで開かれた国際会議だった。現在、これが月の起源の一般的な定説となり、ぶつかってきた天体にはギリシャ神話の月の女神、セレーネの母にちなんだテイア、という名前までつけられた。

月の表側(左)と裏側(右)はこんなにも違う。一番目立つ違いは、裏側にはほとんど「海」がないことだ。この違いについてはさまざまな説があり、月ができた当時や誕生直後の環境条件をその原因に挙げる説もある。(NASA)
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月の表側(左)と裏側(右)はこんなにも違う。一番目立つ違いは、裏側にはほとんど「海」がないことだ。この違いについてはさまざまな説があり、月ができた当時や誕生直後の環境条件をその原因に挙げる説もある。(NASA)
 しかし、疑問がすべて解決したわけではない。たとえば、月がこれほど高いエネルギーを持つ衝突から生まれていたならばもっと減っているはずの揮発性の化学物質が、月の石にはわりあいと残っている理由がわからない。もう一つは、月の石には酸素同位体が比較的同じ割合で含まれていて、これは、月にある石がすべて、太陽系の同じ領域でできたことを示しているのだが、その理由もわからない。

 2005年に、プリンストン大学のエドワード?ベルブルーノとリチャード?ゴットIII世が、これらの矛盾を解決できそうな仮説を提案した。このモデルでは、地球軌道上にある五つのラグランジュ点、つまり地球の力と太陽の力が均衡している重力のいわゆる「スイートスポット」のうち、地球を中心とする前後60度の地点にテイアができたと説明している。ここでおそらく、テイアは地球の質量の10%ほどまで成長したときに軌道が不安定になり、地球めがけてゆっくりとにじり寄り、ついに衝突した。

 ベルブルーノとゴットの理論を使えば、月の石の酸素同位体が一定であることが説明できる。そのうえ、この衝突から生じたエネルギーは、太陽系のどこかからテイアがやってきて衝突したという仮説よりもはるかに少なくなるため、月の岩石に揮発性物質が蒸発せずに残っている点についても説明がつけられる。

(日経ナショナル ジオグラフィック社)

[ナショナル ジオグラフィック『ビジュアル大宇宙[下] 太陽系の謎に挑んだ47の発見』を再構成]

(参考)ナショナル ジオグラフィック『ビジュアル大宇宙[下] 宇宙の見方を変えた53の発見』は幅広い宇宙論の中でも、特に近年新たな発見が相次ぐ太陽系にフォーカス。金星の火山活動、土星の環が生成された経緯をはじめ、惑星を周回する特異な衛星にも焦点を当てながら、太陽系の惑星の歴史的な解明?各分野の最先端の理論や成果までくまなく紹介する。

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