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Space physics · ⁨宇宙物理学⁩

IGCSE Physics · ⁨IGCSE 物理⁩ · Topic 6 · ⁨トピック 6⁩

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16:59

Space Physics

Look up on a clear night, and you might see a few thousand stars. But that is almost nothing. Our Sun is just one star among a hundred billion in our galaxy…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

6.1

The Earth, the Sun and the Moon · ⁨地球、太陽、月⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩

6.1.1 The Earth

Core Supplement
1 Know that the Earth is a planet that rotates on its axis, which is tilted, once in approximately 24 hours, and use this to explain observations of the apparent daily motion of the Sun and the periodic cycle of day and night
2 Know that the Earth orbits the Sun once in approximately 365 days and use this to explain the periodic nature of the seasons 4 Define average orbital speed from the equation $v = \frac{2\pi r}{T}$ where $r$ is the average radius of the orbit and $T$ is the orbital period; recall and use this equation
3 Know that it takes approximately one month for the Moon to orbit the Earth and use this to explain the periodic nature of the Moon’s cycle of phases

6.1.2 The Solar System

Core Supplement
1 Describe the Solar System as containing: (a) one star, the Sun (b) the eight named planets and know their order from the Sun (c) minor planets that orbit the Sun, including dwarf planets such as Pluto and asteroids in the asteroid belt (d) moons, that orbit the planets (e) smaller Solar System bodies, including comets and natural satellites 7 Know that planets, minor planets and comets have elliptical orbits, and recall that the Sun is not at the centre of the elliptical orbit, except when the orbit is approximately circular
8 Analyse and interpret planetary data about orbital distance, orbital duration, density, surface temperature and uniform gravitational field strength at the planet’s surface
2 Know that, in comparison to each other, the four planets nearest the Sun are rocky and small and the four planets furthest from the Sun are gaseous and large, and explain this difference by referring to an accretion model for Solar System formation, to include: (a) the model’s dependence on gravity (b) the presence of many elements in interstellar clouds of gas and dust (c) the rotation of material in the cloud and the formation of an accretion disc
3 Know that the strength of the gravitational field (a) at the surface of a planet depends on the mass of the planet (b) around a planet decreases as the distance from the planet increases
4 Calculate the time it takes light to travel a significant distance such as between objects in the Solar System
5 Know that the Sun contains most of the mass of the Solar System and this explains why the planets orbit the Sun
6 Know that the force that keeps an object in orbit around the Sun is the gravitational attraction of the Sun 9 Know that the strength of the Sun’s gravitational field decreases and that the orbital speeds of the planets decrease as the distance from the Sun increases
10 Know that an object in an elliptical orbit travels faster when closer to the Sun and explain this using the conservation of energy

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

The Earth spins (rotates 自转) on its axis 轴 once in about $24$ hours. The axis is tilted 倾斜 (not straight up). This spin gives us day and night, and makes the Sun 太阳 appear to move across the sky each day.

The Earth also moves around the Sun in an orbit 轨道, once in about $365$ days (one year). Because the axis is tilted, different parts of the Earth lean towards the Sun at different times of the year. This gives the seasons 季节: it is summer in the half of the Earth that leans towards the Sun.

The Moon 月球 orbits the Earth once in about one month. As it goes round, we see different amounts of its lit side, which gives the phases 月相 of the Moon (new moon, half moon, full moon).

So, from shortest to longest: one day (Earth's spin) < one month (Moon's orbit) < one year (Earth's orbit).

日本語

地球は約$24$時間に一度、その自転軸の周りを回転(自転)します。この軸は真上ではなく傾いています。この自転により昼夜が生じ、また太陽が毎日空を横切って動くように見えます。

地球は約$365$日(1年)に一度、太陽の周りを公転します。軸が傾いているため、地球の異なる部分是一年のうち異なる時期に太陽に近づきます。これにより季節が生じます — 太陽に近づいている半球側では夏となります。

軌道内の2つの地点における傾いた地球:北半球が太陽に近づく時点と、半年後に遠ざかる時点
軸は一年を通して同じ傾きを保つため、各半球は公転の半分だけ太陽に近づき、残りの半分だけ遠ざかります

月は約1ヶ月に一度、地球の周りを公転します。公転するにつれて、照らされた側の見える量が変化し、これが月の満ち欠け(新月、上弦・下弦の月、満月)を生みます。

地球の周りを回る4つの位置にある月: それぞれ太陽に向かう半分が照らされている
月の照らされた半分は常に太陽を向いており、公転に伴って私たちが見える照らされた部分の量が変化します — 私たちと太陽の間に新月、太陽の反対側に満月、その間に半月が見えます

つまり、短い順から長い順に:1日(地球の自転)< 1ヶ月(月の公転)< 1年(地球の公転)。

黒い宇宙空間に対して、暗い斑点と明るいクレーターで覆われた月の完全な灰色の円盤
満月、地球の天然衛星
Explore · ⁨探索⁩

Why the Moon changes shape · ⁨月の形が変わる理由⁩

The Sun always lights half the Moon; the phase is simply how much of that lit half faces us as the Moon orbits — it is not Earth's shadow. · ⁨太陽は常に月の半分を照らしており、位相とは単に月が公転する際にその光った半分が私たちに向かう割合のことであり、地球の影ではない。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
seasons/ˈsiːznz/ 季節
Moon/muːn/ 月
phases/ˈfeɪzɪz/ 満ち欠け
circumference/sɜːˈkʌmfrəns/ 円周
orbital speed/ˈɔːbɪtl spiːd/ 軌道速度
period/ˈpɪərɪəd/ 周期の変化率である
6.1

Orbital speed · ⁨軌道速度⁩

English

For an object going round a circle, the distance for one full orbit is the circumference 周长 $2\pi r$, where $r$ is the radius of the orbit. The orbital speed 轨道速率 is this distance divided by the period 周期 $T$ (the time for one orbit):

$$v = \frac{2\pi r}{T}$$

The same equation works for planets, moons and satellites.

Worked example. A space station orbits the Earth at a radius of $r = 7000\ \text{km}$ and takes $T = 5800\ \text{s}$ for one orbit. Find its orbital speed.

First convert the radius to metres: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. Then

$$v = \frac{2\pi r}{T} = \frac{2\pi \times 7.0 \times 10^6}{5800} \approx 7600\ \text{m/s}$$
日本語

円を描いて回る物体にとって、1周分の軌道の長さは円周 $2\pi r$であり、ここで$r$は軌道の半径です。軌道速度とは、この距離を1周にかかる周期 $T$で割ったものです:

$$v = \frac{2\pi r}{T}$$

この式は惑星、衛星、人工衛星にも適用できます。

計算例. 宇宙ステーションが半径$r = 7000\ \text{km}$で1周に$T = 5800\ \text{s}$かかる場合、その軌道速度を求めよ。

まず半径をメートル単位に変換する:$7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$。次に

$$v = \frac{2\pi r}{T} = \frac{2\pi \times 7.0 \times 10^6}{5800} \approx 7600\ \text{m/s}$$
軌道中のISS:軌道速度とは、人工衛星を自由落下による円運動に保つための速度である
軌道中のISS:軌道速度とは、人工衛星を自由落下による円運動に保つための速度である
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
orbit/ˈɔːbɪt/ 軌道
6.1

The Solar System · ⁨太陽系⁩

English

The Solar System 太阳系 has one star, the Sun, at its centre. Around it move the eight planets 行星. In order from the Sun they are: Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune.

  • The four planets nearest the Sun are small and rocky 岩石.
  • The four planets furthest from the Sun are large and gaseous 气态 — they are made mostly of gas 气体, with no solid surface to stand on.
  • The two nearer giants, Jupiter and Saturn, are gas giants 气态巨行星. The two outer giants, Uranus and Neptune, are ice giants 冰巨行星: they hold much more ice, so they are not true gas giants.

The Solar System also contains:

  • minor planets, such as dwarf planets 矮行星 like Pluto, and asteroids 小行星 (most lie in the asteroid belt between Mars and Jupiter);
  • moons (natural satellites 卫星) that orbit the planets;
  • comets 彗星 and other small bodies.

Orbits and gravity

The Sun holds most of the mass of the Solar System. Its gravity 引力 (gravitational pull) reaches out and keeps the planets in their orbits. This force is the gravitational attraction of the Sun.

The gravitational field strength 重力场强度 tells you how strong gravity is:

  • at the surface of a planet it is bigger for a planet with more mass;
  • around a planet it gets weaker as you move further away.

In the same way, the Sun's gravity gets weaker further out, so the outer planets move more slowly (smaller orbital speed) than the inner ones.

Planetary data

Exam questions often give a table like this one and ask you to read a pattern from it.

Planet Distance from Sun / million km Orbital period Density / g/cm³ Surface temperature / °C Surface $g$ / N/kg
Mercury 58 88 days 5.4 170 3.7
Venus 108 225 days 5.2 460 8.9
Earth 150 365 days 5.5 15 9.8
Mars 228 687 days 3.9 −60 3.7
Jupiter 779 11.9 years 1.3 −110 23
Saturn 1430 29.5 years 0.7 −140 9.0
Uranus 2870 84 years 1.3 −195 8.7
Neptune 4500 165 years 1.6 −200 11

Patterns to notice: the further a planet is from the Sun, the longer its orbital period and the lower its surface temperature. The four inner planets are dense (rock and metal), while the four outer planets have low densities (gas and ice). The gravitational field strength at the surface depends on the planet's mass and size, not on its distance from the Sun.

Elliptical orbits

Most orbits are not perfect circles but ellipses 椭圆 (a stretched circle), and the Sun is not at the centre of the ellipse. A comet has a very stretched orbit. An object in an elliptical orbit moves faster when it is closer to the Sun. We explain this with the conservation of energy 能量守恒 — the total energy 能量 stays the same, so as the object's gravitational potential energy 重力势能 falls (coming closer), its kinetic energy 动能 rises (it speeds up).

Light travel time

Distances in space are huge, so we often work out how long light takes to cross them. Light travels at $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Using $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$, light from the Sun (about $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ away) takes about $500\ \text{s}$, which is roughly $8$ minutes, to reach the Earth.

日本語

太陽系の中心には恒星である太陽が1つあります。その周りには8つの惑星が動いています。太陽からの距離順に、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星です。

  • 太陽に最も近い4つの惑星は小さく、岩石質です。
  • 太陽から最も遠い4つの惑星は大きく、気体惑星です — 主にガスでできており、立つことのできる固体の表面を持っていません。
  • 内側の2つの巨大惑星である木星と土星はガスflutterです。外側の2つの巨大惑星である天王星と海王星は氷flutterです — 氷をより多く含んでいるため、厳密な意味でのガスflutterではありません。
太陽、水星、金星、地球、火星、小惑星帯、木星、土星、天王星、海王星
太陽とその8つの惑星の順序:4つの小さな岩石惑星、小惑星帯、4つの大きな気体惑星 — ガスflutterである木星と土星、氷flutterである天王星と海王星(スケールは正確ではない)
黒い宇宙空間に対して、暗い地殻の模様と薄い極域の霧を持つ火星の完全な赤い円盤
火星、赤い惑星、岩石質の内惑星の一つ
茶色と白の雲の縞模様、そしてオレンジ色の大赤斑を示す木星の完全な円盤
最も大きな惑星である木星、その渦巻く気体の帯と共に
カシニ探査機によって側面から撮影された、広く平たい輪のシステムを持つ土星
カッシーニ探査機によって撮影された土星とその輪

太陽系には他にも以下のものが含まれています:

  • 冥王星のような矮惑星や小惑星(大部分は火星と木星の間にある小惑星帯にあります)などの小惑星;
  • 惑星の周りを回る卫星(天然衛星);
  • 彗星やその他の小天体。

軌道と重力

太陽は太陽系の質量のほとんどを持っています。その重力(引力の引き付け)が広がり、惑星を軌道上に留めています。この力は太陽の万有引力です。

重力場強度は、重力の強さを表します:

  • 惑星の表面において、質量が大きい惑星ほど値は大きくなります;
  • 惑星の周囲では、遠ざかるほど弱くなります。

同様に、太陽の重力も遠ざかるほど弱まるため、外惑星は内惑星よりもゆっくりと公転する(公転速度が小さい)。

惑星データ

試験問題では、このような表を提示し、そこからパターンを読み取るよう求められることが多い。

惑星 太陽からの距離 / 百万km 公転周期 密度 / g/cm³ 表面温度 / °C 表面 $g$ / N/kg
メルキュリー 58 88日 5.4 170 3.7
ヴィーナス 108 225日 5.2 460 8.9
地球 150 365日 5.5 15 9.8
マーズ 228 687日 3.9 −60 3.7
木星 779 11.9年 1.3 −110 23
土星 1430 29.5年 0.7 −140 9.0
天王星 2870 84年 1.3 −195 8.7
海王星 4500 165年 1.6 −200 11

注意すべきパターン:太陽から遠い惑星ほど公転周期は長く、表面温度は低い。4つの内惑星は密度が高く(岩石および金属)、4つの外惑星は密度が低い(ガスおよび氷)。表面における重力場強さは惑星の質量と大きさによって決まり、太陽からの距離には依存しない。

楕円軌道

ほとんどの軌道は完全な円ではなく楕円(引き伸ばされた円)であり、太陽はその楕円の中心にはない。彗星は非常に引き伸ばされた軌道を持つ。楕円軌道上にある物体は、太陽に近づくほど速く動く。これはエネルギー保存則で説明できる——総エネルギーは一定であるため、物体の重力ポテンシャルエネルギーが減少(接近)すると、運動エネルギーが増加(加速)する。

太陽が焦点の一つにある楕円軌道、惑星が近いときは速く遠いときは遅く移動
太陽は楕円の焦点の一つに位置し、惑星は近づくと加速し、離れると減速する

光の伝播時間

宇宙空間の距離は極めて大きいため、光がそれを横断するまでにどれだけの時間がかかるかを計算することがよくある。光の速度は $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$ である。 $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$ を用いると、太陽(約 $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ 離れている)からの光が地球に到達するには約 $500\ \text{s}$ かかり、おおよそ $8$ 分に相当する。

Explore · ⁨探索⁩

Watch the planets race · ⁨惑星のレースを見よう⁩

The closer a planet is to the Sun, the faster it orbits — Mercury in 88 days, Jupiter in 12 years — because the Sun's gravity is stronger close in. · ⁨太陽に近いほど公転が速い——水星は88日、木星は12年——それは太陽の重力が近いところで強いためである。⁩

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English 日本語
Solar System/ˈsəʊlə ˈsɪstəm/ 太陽系
6.1

How the Solar System formed · ⁨太陽系形成の仕組み⁩

English

The planets formed from a giant cloud of gas and dust 尘埃 in space, which contained many chemical elements 元素. This is the accretion 吸积 model:

  • gravity pulled the cloud together;
  • the cloud was spinning, so it flattened into a spinning accretion disc 吸积盘;
  • most of the matter fell to the centre and became the Sun, while the planets grew from the leftover material in the disc.

Near the hot young Sun, only rock and metal could stay solid, so the inner planets are rocky. Far out, where it was cold, gases could also collect, so the outer planets grew large and gaseous.

日本語

惑星は、多くの化学元素を含む巨大なガスおよび塵の雲から形成された。これを吸積モデルという:

  • 重力によって雲が引き寄せられた;
  • 雲は回転していたため、回転する吸積円盤として扁平になった;
  • 大部分の物質が中心に落ち込み太陽となり、残りの物質から惑星が成長した。

高温の若い太陽の近くでは、岩石と金属だけが固体でいられるため、内惑星は岩石質となった。遠く冷たい場所では、ガスも集積できたため、外惑星は大きくガス質化した。

若い恒星を取り巻く発光するオレンジ色の尘の円盤、惑星が物質を取り込んでいる暗い輪によって横切られている
若い恒星HL Tauriの実際の吸積円盤:暗い隙間は新しい惑星が尘を集めている場所であり、私たちの太陽系も同じように始まった
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
planet/ˈplænɪt/ 惑星
rocky/ˈrɒki/ 岩石質の
gaseous/ˈɡeɪsɪəs/ 気体
gas/ɡæs/ 気体
gas giant/ɡæs ˈdʒaɪənt/ ガス惑星
ice giant/aɪs ˈdʒaɪənt/ 氷惑星
dwarf planet/dwɔːf ˈplænɪt/ 矮惑星
asteroid/ˈæstərɔɪd/ 小惑星
satellite/ˈsætəlaɪt/ 衛星
comet/ˈkɒmɪt/ 彗星
gravity/ˈɡrævɪti/ 重力
gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力場の強さ
ellipse/ɪˈlɪps/ 楕円
conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ エネルギー保存則
energy/ˈenədʒi/ エネルギー
gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 重力ポテンシャルエネルギー
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 運動エネルギー
dust/dʌst/ ほこり
element/ˈelɪmənt/ 元素
accretion/əˈkreʃn/ 吸着・集積
accretion disc/əˈkreʃn dɪsk/ 降着円盤
6.2

The Sun as a star · ⁨太陽は恒星である⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

6.2.1 The Sun as a star

Core Supplement
1 Know that the Sun is a star of medium size, consisting mostly of hydrogen and helium, and that it radiates most of its energy in the infrared, visible light and ultraviolet regions of the electromagnetic spectrum 2 Know that stars are powered by nuclear reactions that release energy and that in stable stars the nuclear reactions involve the fusion of hydrogen into helium

6.2.2 Stars

Core Supplement
1 State that: (a) galaxies are each made up of many billions of stars (b) the Sun is a star in the galaxy known as the Milky Way (c) other stars that make up the Milky Way are much further away from the Earth than the Sun is from the Earth (d) astronomical distances can be measured in light-years, where one light-year is the distance travelled in (the vacuum of) space by light in one year
2 Know that one light-year is equal to $9.5 \times 10^{15}$ m
3 Describe the life cycle of a star: (a) a star is formed from interstellar clouds of gas and dust that contain hydrogen (b) a protostar is an interstellar cloud collapsing and increasing in temperature as a result of its internal gravitational attraction (c) a protostar becomes a stable star when the inward force of gravitational attraction is balanced by an outward force due to the high temperature in the centre of the star (d) all stars eventually run out of hydrogen as fuel for the nuclear reaction (e) most stars expand to form red giants and more massive stars expand to form red supergiants when most of the hydrogen in the centre of the star has been converted to helium (f) a red giant from a less massive star forms a planetary nebula with a white dwarf star at its centre (g) a red supergiant explodes as a supernova, forming a nebula containing hydrogen and new heavier elements, leaving behind a neutron star or a black hole at its centre (h) the nebula from a supernova may form new stars with orbiting planets

6.2.3 The Universe

Core Supplement
1 Know that the Milky Way is one of many billions of galaxies making up the Universe and that the diameter of the Milky Way is approximately 100 000 light-years
2 Describe redshift as an increase in the observed wavelength of electromagnetic radiation emitted from receding stars and galaxies
3 Know that the light emitted from distant galaxies appears redshifted in comparison with light emitted on the Earth
4 Know that redshift in the light from distant galaxies is evidence that the Universe is expanding and supports the Big Bang Theory
5 Know that microwave radiation of a specific frequency is observed at all points in space around us and is known as cosmic microwave background radiation (CMBR)
6 Explain that the CMBR was produced shortly after the Universe was formed and that this radiation has been expanded into the microwave region of the electromagnetic spectrum as the Universe expanded
7 Know that the speed $v$ at which a galaxy is moving away from the Earth can be found from the change in wavelength of the galaxy’s starlight due to redshift
8 Know that the distance $d$ of a far galaxy can be determined using the brightness of a supernova in that galaxy
9 Define the Hubble constant $H_0$ as the ratio of the speed at which the galaxy is moving away from the Earth to its distance from the Earth; recall and use the equation
$$H_0 = \frac{v}{d}$$
10 Know that the current estimate for $H_0$ is $2.2 \times 10^{-18}$ per second
11 Know that the equation
$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
represents an estimate for the age of the Universe and that this is evidence for the idea that all the matter in the Universe was present at a single point
日本語

6.2.1 恒星としての太陽

コア サプリメント
1 太陽は中程度サイズの恒星であり、主に水素とヘリウムからなり、電磁波スペクトルの赤外線、可視光線、紫外線領域にエネルギーの大部分を放射することを知らない 2 恒星はエネルギーを放出する核反応によって動力を得ており、安定した恒星では核反応が水素のヘリウムへの融合であることを知っている

6.2.2 恒星

コア サプリメント
1 以下のことを述べる:(a) 銀河はそれぞれ何千亿個もの恒星で構成されている (b) 太陽は銀河ミルキーウェイに属する恒星である (c) ミルキーウェイを構成する他の恒星は、太陽よりもはるかに遠くに位置している (d) 天文距離は光年で測られる。1光年は、光が(真空の)空間内を1年で進む距離である
2 1光年は $9.5 \times 10^{15}$ m に相当することを知らない
3 恒星の生涯を説明する:(a) 恒星は水素を含む宇宙空間のガスと塵の雲から形成される (b) 原恒星は、内部の万有引力によって収縮し、温度が上昇する宇宙空間の雲である (c) 原恒星は、重力による内向きの力と恒星中心部の高温による外向きの力が釣り合うことで安定した恒星となる (d) 全ての恒星は、 eventually 核反応の燃料である水素を枯渇させる (e) 多くの恒星は中心部の水素の大部分がヘリウムに変換された後、赤色巨星として膨張し、より大質量の恒星は赤色超巨星として膨張する (f) 小質量恒星由来の赤色巨星は、中心に白色矮星を残して惑星状星雲を形成する (g) 赤色超巨星は超新星爆発を起こし、水素と新しい重元素を含む星雲を形成し、中心に中性子星またはブラックホールを残す (h) 超新星由来の星雲から、惑星を伴う新たな恒星が形成されることがある

6.2.3 宇宙

コア サプリメント
1 銀河系は宇宙を構成する何十億もの銀河の一つであることを知り、その直径が約 100 000 光年であることを知る
2 銀河赤方偏移(レッドシフト)とは、後退する恒星や銀河から放射される電磁波の観測波長が増加することを指すと説明できる
3 遠方の銀河から放射される光は、地球上で放射される光と比較して赤方偏移していることを知らない
4 遠方の銀河からの光に見られる赤方偏移は、宇宙が膨张している証拠であり、ビッグバン理論を裏付けていることを知らない
5 宇宙空間のあらゆる地点で特定の周波数のマイクロ波放射が観測されており、これを**宇宙背景放射(CMBR)**と呼ぶことを知らない
6 CMBR(宇宙背景放射)が宇宙形成直後に生成されたものであり、宇宙の膨張に伴って電磁スペクトルのマイクロ波領域にまで拡大したことを説明する
7 銀河が地球から遠ざかる速度 $v$ は、赤方偏移による銀河の星光の波長の変化から求めることができることを知っている。
8 遠方の銀河の距離 $d$ は、その銀河内の超新星の明るさを用いて決定できることを知っている。
9 ハッブル定数 $H_0$ を、銀河が地球から遠ざかる速度と地球からの距離の比として定義し、式
$$H_0 = \frac{v}{d}$$
を記憶して用いること。
10 現在の $H_0$ の推定値は $2.2 \times 10^{-18}$ /秒であることを知っている。
11 式
$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
が宇宙の年齢の推定値を表しており、これは宇宙内のすべての物質が単一の点に存在していたという考えの根拠であることを知っている。

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

The Sun is a star 恒星 of medium size, made mostly of hydrogen 氢 and helium 氦. It radiates most of its energy in the infrared, visible light and ultraviolet 紫外线 parts of the electromagnetic spectrum 电磁波谱.

A star is powered by nuclear reactions 核反应 in its core. In a stable star, the reaction is nuclear fusion 核聚变: hydrogen nuclei join to make helium, releasing huge amounts of energy.

日本語

太陽は中程度の大きさの恒星であり、主に水素とヘリウムで構成されている。太陽は電磁波スペクトルの赤外線、可視光線、および紫外線領域にそのエネルギーの大部分を放射している。

恒星は核の核反応によって動力を得ている。安定した恒星では、この反応は核融合であり、水素原子核が結合してヘリウムを作り出し、膨大な量のエネルギーを放出する。

紫外線撮影によるNASA太陽動力学観測衛星が捉えた、輝くプロミネンスを持つ発光するオレンジ色の円盤としての太陽
紫外線で捉えられた、私たちに最も近い星である太陽
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
rotate/rəʊˈteɪt/ 回転する
axis/ˈæksɪs/ 軸
tilted/ˈtɪltɪd/ 傾斜した
Sun/sʌn/ 太陽
Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
6.2

Stars, galaxies and the Universe · ⁨恒星、銀河、そして宇宙⁩

English

A galaxy 星系 is a group of many billions of stars held together by gravity. Our Sun is one star in the galaxy called the Milky Way 银河系. All the other stars in the Milky Way are very much further from the Earth than the Sun is.

Distances between stars are so big that we measure them in light-years 光年. One light-year is the distance light travels in one year (in the vacuum of space), which is about $9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$.

The Milky Way is about $100\,000$ light-years across (its diameter 直径). It is just one of many billions of galaxies. All of these galaxies together make up the Universe 宇宙.

日本語

銀河とは、重力によって束ねられた数十億個以上の恒星の集団である。太陽は銀河系と呼ばれる銀河内の一つの恒星である。銀河系内の他のすべての恒星は、太陽よりもはるかに地球から遠く離れている。

正面から見た渦状銀河、明るい中心から曲がりくねった腕の恒星が広がり、端には小さな伴銀河がある
重力によって引き寄せられ结合在一起された数十億の星からなる渦状銀河

恒星間の距離はあまりにも大きいため、光年単位で測られる。1光年は光が真空の宇宙空間を1年間進んだ距離であり、約 $9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$ に相当する。

銀河系の直径は約 $100\,000$ 光年である(その直径)。それは数十億個の銀河の其中之一に過ぎない。これら全ての銀河の集合が宇宙である。

夜の山の上に設置された大型望遠鏡が、銀河の輝く帯に向かってまっすぐに細い黄色のレーザーを照射している
巨大望遠鏡が夜空を観測しており、レーザーは遠方の恒星の鮮明な画像を得るのに役立っている
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
galaxy/ˈɡæləksi/ 銀河
Milky Way/ˈmɪlki weɪ/ 天の川
light-year/laɪt jɪə/ 光年
diameter/daɪˈæmɪtə/ 直径
6.2

The life cycle of a star · ⁨恒星の生涯⁩

English

A star is born, lives and dies over a very long time:

  1. A star forms from an interstellar cloud 星际云 of gas and dust that contains hydrogen.
  2. Gravity pulls the cloud inwards, and it heats up. This collapsing, heating cloud is a protostar 原恒星.
  3. The protostar becomes a stable 稳定 star when the inward pull of gravity is balanced by an outward push caused by the very high temperature in its centre.
  4. In time, every star runs out of hydrogen fuel 燃料 for fusion.

What happens next depends on the mass of the star:

  • A medium star (like the Sun) swells into a red giant 红巨星. It then throws off its outer layers as a glowing cloud called a planetary nebula 星云, leaving a small, hot white dwarf 白矮星 at the centre.
  • A much heavier star swells into a red supergiant 红超巨星 and then explodes as a supernova 超新星. This blast spreads out a nebula containing hydrogen and new, heavier elements, and leaves behind a neutron star 中子星 or a black hole 黑洞.

The nebula from a supernova can later form new stars, with planets orbiting them — so our own Solar System came from earlier stars.

日本語

恒星は生まれて、生き、死んでいくまで、非常に長い時間を要する:

  1. 恒星は水素を含むガスと塵の星間雲から形成される。
  2. 重力によって雲が内側に引き寄せられ、加熱される。この収縮・加熱中の雲を原始恒星という。
  3. 原始恒星の中心部における極めて高い温度によって生じる外向きの押し出し力が、内向きの重力の引き寄せと釣り合うと、安定した恒星となる。
  4. 時が経つと、あらゆる恒星は核融合のための水素燃料を枯渇させる。

次に起こることが何であるかは、恒星の質量による:

  • 中程度质量の恒星(太陽など)は赤色巨星に膨張する。その後、惑星状Sharing Nebulaと呼ばれる発光する雲として外層を吹き飛ばし、中心に小さく熱い白色矮星を残す。
  • はるかに大質量の恒星は赤色超巨星に膨張し、超新星として爆発する。この爆風は水素や新しい重元素を含むSharing Nebulaを広げ、その後に中性子星またはブラックホールが残る。
星の生命サイクル図、質量に応じて赤色巨星および赤色超巨星への分岐を示す
すべての星は星雲から生まれますが、その終焉は質量によって決まります

超新星爆発による星雲は後で新たな星を形成し、それを取り巻く惑星を生むことがあります。つまり、私たちの太陽系も過去の星々から生まれたものです。

Explore · ⁨探索⁩

The life cycle of a star · ⁨恒星の生涯⁩

Gravity pulls a gas cloud together; fusion lights the star; when its fuel runs low it swells and finally fades. · ⁨重力が気体雲を引き寄せ、融合によって星が点火され、燃料が枯渇すると膨らんで最終的に消滅する。⁩

Explore · ⁨探索⁩

The life cycle of a Sun-like star · ⁨太陽のような恒星の生涯⁩

Step through how a star like our Sun is born, lives and dies. · ⁨太陽のような恒星が生まれ、生き、死に至るまでの過程をステップで確認します。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
star/stɑː/ スター型
hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 水素
helium/ˈhiːlɪəm/ ヘリウム
ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 紫外線
electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 電磁波スペクトル
nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ 核反応
nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核融合
nebula/ˈnebjʊlə/ 星雲
white dwarf/waɪt dwɔːf/ 白色矮星
red supergiant/red ˈsuːpədʒaɪənt/ 赤色超巨星
supernova/ˌsuːpəˈnəʊvə/ 超新星
neutron star/ˈnjuːtrɒn stɑː/ 中性子星
black hole/blæk həʊl/ ブラックホール
receding/rɪˈsiːdɪŋ/ 遠ざかる
wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波長
6.2

The expanding Universe · ⁨膨張する宇宙⁩

English

When a star or galaxy moves away from us (it is receding 退行), the light we receive from it has a longer wavelength 波长 than normal — it is shifted towards the red end of the spectrum. This is redshift 红移.

The light from distant galaxies is redshifted, and the further away a galaxy is, the bigger its redshift. This tells us that the galaxies are moving apart: the Universe is expanding 膨胀. Running this backwards, everything was once together at a single point — this is the evidence for the Big Bang 大爆炸 theory.

More evidence and the age of the Universe

Faint microwave 微波 radiation 辐射 is found coming from every direction in space. This is the cosmic microwave background radiation 宇宙微波背景辐射 (CMBR). It was made as high-energy radiation soon after the Big Bang, and has been stretched out into the microwave part of the spectrum as the Universe expanded.

For a distant galaxy:

  • its speed $v$ of moving away can be found from the redshift of its starlight;
  • its distance $d$ can be found from the brightness of a supernova seen in it.

The Hubble constant 哈勃常数 $H_0$ links these two:

$$H_0 = \frac{v}{d}$$

Its value today is about $2.2 \times 10^{-18}$ per second. Turning this around gives an estimate for the age of the Universe:

$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$

Worked example. The Hubble constant is about $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$ per second. Estimate the age of the Universe.

$$\frac{1}{H_0} = \frac{1}{2.2 \times 10^{-18}} \approx 4.5 \times 10^{17}\ \text{s}$$

That is roughly $14$ billion years.

This works because every galaxy seems to have started from the same single point at the same time — more support for the Big Bang.

日本語

星や銀河が私達から遠ざかっていく(後退している)とき、私達に届く光は通常よりも長い波長を持ちます。これはスペクトルの赤端へシフトしたものであり、これを赤方偏移と呼びます。

遠方銀河のスペクトル線が近接銀河と比較して赤方偏移している様子
遠方銀河のスペクトルに見られる暗い線は赤端へシフトしており、これが赤方偏移です

遠方銀河からの光は赤方偏移しており、銀河が遠いほどそのシフト量は大きくなります。これは銀河同士が離れ合っていることを示しており、宇宙は膨張しているのです。この逆を考えると、かつてすべてが一点に集まっていたことになります。これがビッグバン説の証拠となります。

周围的银河各自带有向外指的箭头,距离越远的银河箭头越长
すべての銀河が私たちから遠ざかっており、より遠いものほど速く遠ざかっている — 宇宙は膨張中

追加の証拠と宇宙の年齢

空間のあらゆる方向から微弱なマイクロ波 放射が検出されます。これを宇宙背景マイクロ波放射(CMBR)と呼びます。これはビッグバン直後に高エネルギー放射として生成されたものが、宇宙の膨張に伴ってスペクトルのマイクロ波領域まで引き伸ばされたものです。

青と赤の斑点で埋め尽くされた楕円形全天図、マイクロ波背景の微小な温度差を示す
マイクロ波で全体をマッピングした空:これは若い宇宙の余熱であり、あらゆる方向から私達に届く微弱な輝きです——ビッグバンに対する強力な証拠

遠方銀河について:

  • 星の光の赤方偏移から、その遠ざかる速度 $v$ が求められます;
  • 内部で見える超新星の明るさから、その距離 $d$ が求められます。

ハッブル定数 $H_0$ はこれら2つを結びつけます:

$$H_0 = \frac{v}{d}$$

現在のその値は約 $2.2 \times 10^{-18}$ /秒 です。これを逆算することで宇宙の年齢の概算が得られます:

$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$

** worked example. ** ハッブル定数が約 $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$ /秒 である場合、宇宙の年齢を推定してください。

$$\frac{1}{H_0} = \frac{1}{2.2 \times 10^{-18}} \approx 4.5 \times 10^{17}\ \text{s}$$

それはおよそ $14$ 億年です。

これは、すべての銀河が同じ時刻に同一の一点から始まり始めたように見えるためです——ビッグバンに対するさらなる裏付けです。

Explore · ⁨探索⁩

The expanding Universe · ⁨膨張する宇宙⁩

v = H₀·d

Galaxies recede faster the farther they are — speed is proportional to distance. · ⁨銀河は遠いほど速く後退し、速度は距離に比例する。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
Universe/ˈjuːnɪvɜːs/ 宇宙
interstellar cloud/ˌɪntəˈstelə klaʊd/ 星間雲
protostar/ˈprəʊtəʊstɑː/ 原始星
stable/ˈsteɪbl/ 安定
fuel/ˈfjuːəl/ 燃料
red giant/red ˈdʒaɪənt/ 赤色巨星
redshift/ˈredʃɪft/ 赤方偏移
expanding/ekˈspændɪŋ/ 拡大していた
Big Bang/bɪɡ bæŋ/ ビッグバン
microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ マイクロ波
radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 対流
cosmic microwave background radiation/ˈkɒzmɪk ˈmaɪkrəʊweɪv ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 宇宙_history微波背景放射
Hubble constant/ˈhʌbl ˈkɒnstənt/ ハッブル定数
6.2

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • In $v = \dfrac{2\pi r}{T}$, $r$ is the orbit radius and $T$ is the time for one full orbit in seconds — convert km to m and hours to seconds first.
  • Planets closer to the Sun feel stronger gravity, so they orbit faster and take less time. In an elliptical orbit a body speeds up as it nears the Sun (gravitational potential energy turns into kinetic energy).
  • A light-year is a distance, not a time — how far light travels in one year.
  • A star is stable when the inward pull of gravity is balanced by the outward push from the energy released by fusion in its core. What it becomes when its fuel runs out depends on its mass.
  • Redshift — light from distant galaxies shifted to longer (redder) wavelengths, with a bigger shift the further away — is the evidence that the Universe is expanding, which supports the Big Bang.
日本語
  • $v = \dfrac{2\pi r}{T}$ において、$r$ は軌道半径であり、$T$ は1周にかかる時間(秒単位)です。まずkmをm、時間を秒に変換してください。
  • 太陽に近い惑星ほど重力の影響が強いため、速く公転し、所要時間が短くなります。楕円軌道では天体が太陽に近づくにつれて加速します(重力ポテンシャルエネルギーが運動エネルギーに変換されます)。
  • 光年とは距離であり、時間のことではありません。光が1年で進む距離のことです。
  • 星が安定している状態とは、重力による内向きの引力と、中心部での核融合によって放出されるエネルギーによる外向きの圧力が釣り合っている状態です。燃料が尽きた後の運命は質量によります。
  • 赤方偏移——遠方銀河からの光がより長い(赤色寄りの)波長へシフトし、遠いほどシフトが大きくなる——は宇宙が膨張している証拠であり、ビッグバンを支持しています。

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