サイエンスジャーナル

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物理

観測史上最古、ビッグバン直後(130億年以上前)に誕生した超巨大ブラックホールを発見!

成長するブラックホール

 宇宙では謎の現象があちこちで起きている。その中でもブラックホールの存在は謎そのものだ。極めて高密度かつ大質量で、強い重力のために物質だけでなく光さえ脱出することができない。

 米大学などの「LIGO」研究チーム は、2015年9月14日、ブラックホールの合体により生じた重力波を捉えることに成功した。10億年以上前に2つのブラックホールが互いに強く引かれ合い、激しい抱擁を交わしたことで発生した。この重力波がさざ波のように宇宙空間に広がり、地球を通過したところを天文学者が捉えた。ブラックホールは成長しているのである。

 「重力波」の観測は、2017年のノーベル物理学賞を受賞した。「ブラックホール」の存在を認知させたという意味でも大きな発見であった。一般の人の中には「そんなの存在するの?」「ありえない」と思う人もいたかもしれない。謎の存在が少しずつ解明されていくところに科学の面白さがある。


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スカイツリー頂上は地上より時間が速く進む?アインシュタインの結論「重力と時間」の不思議な関係

場所によって時間の進み方が違うのは本当?

 「1日は24時間、時間は全ての人に平等」という言葉がある。しかし都会と田舎では時間の流れ方が違う。なぜだろうか?

 都会と田舎では時間の流れ方が違うというのは、体内時計が関係すると思われる。都会では刺激が多く忙しい心拍数も速くなる。それで早く感じるのかもしれない。田舎に行くと心拍数が落ち体内時計の速度が遅くなって、ゆっくりと感じるのかもしれない。

 だが、アインシュタインの「相対性理論」では、時間の流れは人によって違うという事が科学的に実証されている。それを例えた、有名なエピソードがある。


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雷は天然の電子加速器?大気中で原子核反応を起こしている証拠発見!上空で陽電子生成

 原子核反応とは何か?

 原子核物理学における原子核反応(nuclear reaction)または核反応とは、入射粒子が標的核(原子核)と衝突して生じる現象の総称を言う。原子核反応といえば、原子力発電でウランの原子核が割れる「核分裂」が、その好例だ。

 原子核反応は、大別して「吸収」「核分裂」「散乱」の三つがある。だが、その反応過程は多彩で統一的に記述する理論はまだない。核反応においては、電荷、質量数、全エネルギー、全運動量が保存される。

 衝突粒子としては陽子や中性子はもちろん、一般にウランに至るまでの原子核、さらにγ(ガンマ)線や電子、中間子などさまざまなものがありうる。どの粒子によって引き起こされた反応であるかを識別するために粒子名をつけて、たとえば陽子核反応とよぶことがある。


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ガラスは固体?液体?ガラスには固体特有の分子振動に加えて、異なる分子振動パターンが存在する

 ガラスとは何か?

 ガラス(glass)とは、物質のある状態を指す場合と特定の物質の種類を指す場合がある。

 物質の状態を示す場合では、ガラスは昇温によりガラス転移現象を示す非晶質固体。そのような固体となる物質のこと。このような固体状態をガラス状態と言う。結晶と同程度の大きな剛性を持ち、粘性は極端に高い。

 特定の物質を指す場合では、古代から知られてきたケイ酸塩を主成分とする硬く透明な物質。グラス、玻璃(はり)、硝子(しょうし)とも呼ばれる。「硝子」と書いて「ガラス」と読ませる事もよくある。化学的にはガラス状態となるケイ酸化合物(ケイ酸塩鉱物)である。


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重さの「キログラム」定義、ついに確定か?「プランク定数」の超精密測定に成功!産総研

1キログラム物語 1kgはどうやって決められたか?

 「1kg」はどうやってきめられたか?「1kg」はなんと、毎年重くなったり軽くなったりしている!...というのはご存知だろうか?

 といってもその量は、極々わずかなので私たちの生活に問題はない。1メートルだったら、いつ誰が計測しても変わることのない光の速度を基準にしているが、1kgは「国際キログラム原器」という物体の質量を基準にしているから、このようなことが起きる。

 実際にフランスにある「国際キログラム原器」の質量は、表面吸着などの影響により年々増加している。その量は年に0.1µg程度と見られている。1980年代に42年ぶりに国際キログラム原器の洗浄が行われた。これにより国際キログラム原器の質量は約60µg減少した。これは1キログラムの6×10-8倍に当たるので、現行の国際キログラム原器による定義の精度は8桁程度ということになる。


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5回目の重力波は「中性子星」の合体!世界中の天文台で観測「重金属の起源」を確認

 5回目の重力波の観測

 今年2017年のノーベル物理学賞を受賞したのは「重力波の発見」。重力波は、2015年9月、重力波の観測に世界で初めて成功すると、その3か月後には2回目、さらに2017年1月には3回目の観測に成功し、世界を驚かせた。また、2017年8月にも、ヨーロッパの観測施設「VIRGO(バーゴ)」とともに4回目の観測に成功したことがノーベル賞受賞の決め手となった。

 4回目の検出は8月14日。太陽質量の31倍と25倍のブラックホールが合体し、53倍の大きなブラックホールとなった。差し引き太陽質量3倍分のエネルギーが重力波として放出された。

 4回目の検出からわずか3日後、2017年8月17日に5回目の重力波が検出された。今度はブラックホールではなく、中性子星の合体であった。場所は楕円銀河「NGC4993」の外れにある超新星「GW170817」。それからしばらくの間、この重力波の発生源が、宇宙のなかで最も熱い注目を浴びるスポットとなった。


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2017年ノーベル物理学賞 ワイス・ソーン・バリッシュ「LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献」

ノーベル物理学賞「重力波」初観測 米の研究者3人に

 ことしのノーベル物理学賞に、巨大な観測施設「LIGO(ライゴ)」を建設して、宇宙空間にできた「ゆがみ」が波となって伝わる現象、いわゆる「重力波」を初めて観測することに成功したアメリカの研究者3人が選ばれた。

 スウェーデンのストックホルムにある選考委員会は、日本時間の10月3日午後7時前、ことしのノーベル物理学賞の受賞者を発表し、いずれもアメリカの、マサチューセッツ工科大学のレイナー・ワイス名誉教授、カリフォルニア工科大学のバリー・バリッシュ名誉教授、それに同じくカリフォルニア工科大学のキップ・ソーン名誉教授の3人を選んだと発表した。授賞理由は「LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献」である。

 「重力波」は、ブラックホールが合体するなど、質量を持った物体が動いたときに時間と空間の「ゆがみ」が波となって伝わる現象で、およそ100年前にアインシュタインが存在を予測しましたが、「ゆがみ」が極めて小さいことから直接観測は果たせず、これまで世界中の研究者たちがしのぎを削ってきた。


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ニュートンもびっくり!量子力学の世界では等速直線運動せず!慣性の法則が破れている?

 慣性の法則と量子力学

 慣性の法則(Inertia)といえば、外から力が作用しなければ、静止している物体は静止を続け、運動する物体は等速度運動を続けるという法則。ニュートンの運動の法則の1つで,運動の第一法則ともいう。運動の現状をそのまま保持しようとする物体の性質を慣性という。

 量子力学(Quantum mechanics)は、一般相対性理論と同じく現代物理学の根幹を成す理論として知られ、主として分子や原子、あるいはそれを構成する電子など、微視的な物理現象を記述する。 量子力学自身は前述のミクロな系における力学を記述する理論だが、取り扱う系をそうしたミクロな系の集まりとして解析することによって、ニュートン力学に代表される古典論では説明が困難であった巨視的な現象についても記述することができる。


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「電気抵抗は太さに反比例する」と逆の理論発見!電子の「超バリスティック流動」とは何か?

 「ICBM」大陸間弾道ミサイル

 北朝鮮の開発した大陸間弾道ミサイル。英語では「ICBM」つまり intercontinental ballistic missile の略語が使われている。

 「ICBM」の「B」は「ballistic」・バリスティックを意味する。これは「弾道」と訳されている。

 物理学の世界でもバリスティックという言葉が使われている。それは「バリスティック流動」という言葉で、これは直訳すれば「弾道流動」ということになるが「非常によく流れる」という意味である。


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第66回ノーベル物理学賞 カストレイル 「原子のラジオ波共鳴の研究」 レーザーの原理「光ポンピング法」

 1966年のノーベル物理学賞

 1966年のノーベル物理学賞の受賞理由は「原子のラジオ波共鳴を研究するための光学的手法の発見および開発」である。

 「ラジオ波」というと、ラジオやテレビで使用されている電磁波なのでこう呼ばれている。現代ではWi-Fiなど携帯電話やスマートフォンでも使用されている身近な電磁波「マイクロ波」のことである。

 電磁波というといかにも人工のものというイメージを持っている方は多いだろう。 しかし、自然界で電磁波はあふれている。その代表が太陽光。可視光も紫外線や赤外線も電磁波の一種である。また、宇宙から降りそそぐ放射線も電磁波の一種。放射線は、現在のところ唯一人体への害がはっきりしている電磁波である。放射線の一種であるX線はレントゲン撮影にも欠かせない。


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長年の謎であった「過冷却水」がドロドロになるメカニズムを解明!水素結合が強固になり高い粘性

過冷却水とは何か?

 過冷却(supercooling)とは、物質の相変化において、変化するべき温度以下でもその状態が変化しないでいる状態を指す。たとえば液体が凝固点(転移点)を過ぎて冷却されても固体化せず、液体の状態を保持する現象。水であれば摂氏零度以下でもなお凍結しない状態を指す。

 第一種相転移でいう準安定状態にあたる。物質は一般的に固体・液体・気体の三つの相を持ち、それらは温度と圧力の影響の元で決定される。おおよそ温度が下がるにつれて気体→液体→固体へと変化し、その変化する温度は沸点・融点(凝固点)と呼ばれて物質の特性とされる。しかし、現実にはこれにあわない例が往々にして出現する。

 液体を構成する分子が結晶化過程(第一種相転移)に移行するためには、物理的刺激によって核となる微小な相を生成させる必要があるが、過冷却においては微小相の発達が不十分で、相転移が行われない。このため極めて平静な、安定した状況で発生しやすい。


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第65回ノーベル物理学賞 朝永・シュウィンガー・ファインマン「量子電気力学分野での基礎的研究」

 量子電気力学とは何か?

 1965年のノーベル物理学賞は「量子電気力学の分野の基礎的研究」である。「量子電気力学」とは何だろう?

 「量子電気力学」とは電磁気力に関する「場の量子論」だ。場と何か? 例えば電気にはプラスとマイナスの 2種類があるが、同極では反発しあう。

 しかし、なぜ離れているものの間に力が働くのか?それに答える為にいろいろな考え方が登場したが、エーテルもそのひとつだった。しかしエーテルの存在は、マイケルソン・モーレーの実験によって一応否定され、その変わりに空間そのもの(正確には時空そのもの)の性質として、力を伝達する機能があると考えられるようになった。それが「場」であり、とくに電気力の場合には「電場」がある。


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磁気テープの復権、磁気テープの記憶密度で従来比20倍の新記録!低コスト・安定性・ビッグデータに活用

 IBMとソニー、磁気テープの記憶密度で従来比20倍の新記録

 IBMチューリッヒ研究所とソニーストレージメディアソリューションズは、磁気テープによる面記録密度で201Gb(ギガビット)/平方インチを達成し、世界最高値を更新したと発表した。従来比20倍の記録密度となる。研究成果は8月2~4日、つくば市で開催された第28回磁気記録国際会議(TMRC2017)で発表された。

 「磁気テープ」と聞くと、昔のビデオテープなどを思い浮かべて旧式の技術というイメージを持つ人もいるかもしれない。しかし実際には現在も、データセンタにおけるバックアップやアーカイブ用途などでは、磁気テープが現役で利用されている。

 半導体メモリやハードディスクと比較するとデータ容量あたりのコストが格段に低いため、頻繁にアクセスする必要のない大量のデータを保存するには、今でも磁気テープを使うのが最も経済的で効率が良いためである。ビッグデータやクラウドコンピューティングといった新たな用途でも、同様の理由から磁気テープが利用されるようになっている。


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銀河は出会いと別れを繰り返す永遠の旅人?天の川銀河の物質の半分は別の銀河からやってきた

 激しく動く銀河、宇宙は決して孤独ではなかった

 私たちの太陽系が所属する銀河系は、直径 約10万光年、厚さ 約1000光年、恒星数 2000~4000億個の渦巻銀河か、棒渦巻銀河だと考えられている。銀河系の中心は地球から見ていて座の方向に約3万光年離れた所に位置しており、いて座Aという強い電波源がある。ここは超大質量ブラックホールが存在することが確実視されている。

 広い宇宙には銀河系のような銀河が無数に存在することが分かっている。銀河系の近くには、アンドロメダ銀河やさんかく座銀河 (M33)など、35個の銀河があり、局部銀河群を構成している。これらの銀河群がいくつか集まって、おとめ座超銀河団を形成している。

 銀河系の周りには数多くの矮小銀河が周回している。これらの矮小銀河の中で最も大きいものが直径約2万光年の大マゼラン雲である。これに対して最も小さいりゅうこつ座矮小銀河、りゅう座矮小銀河、しし座II矮小銀河は直径500光年しかない。


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銀河中心のブラックホールの大きさが、渦巻の広がりでわかる?強い関連性発見!

 銀河の渦と台風の渦

 美しい銀河。銀河(galaxy)は、恒星やコンパクト星、ガス状の星間物質や宇宙塵、そして正体が詳しく分かっていない暗黒物質(ダークマター)などが重力によって拘束された巨大な天体である。

 銀河には、1000万個程度の星で成り立つ矮小銀河から、100兆個もの星々を持つ巨大な銀河まである。これら星々は恒星系、星団などを作り、その間には星間物質や宇宙塵が集まる星間雲、宇宙線が満ちている。ほとんどの銀河では質量の約90%を暗黒物質が占める。

 観測結果によれば、すべてではなくともほとんどの銀河の中心には超大質量ブラックホールが存在すると考えられている。これは、いくつかの銀河で見つかる活動銀河の根源的な動力と考えられ、銀河系もこの一例に当たると思われる。


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NICT、次世代の「量子通信」 基礎的な実験に成功!超小型衛星から、2つの偏光状態に「0,1」のビット情報を符号化

「量子通信」とは何か?

 「量子通信」とは「光」がもっている性質、潜在能力を全部使い切る究極の通信技術と言える。

これまでの「電気」や「光」による通信は、エネルギーの塊としてしか制御されていない。電気や光のパルスを出すか出さないかで、「0」と「1」の信号を表している。

しかし「光」を「波」と考えた場合、光には「周波数」がある。また波と波がぶつかると波が強くなったり弱くなったりと相互に作用する「干渉」がある。また、光には「偏光」という向きもある。このような性質まで使うと、今の「光」通信よりもはるかに多くの情報量を伝えることが出来るようになる。

 さらに、光は波の性質を持っていると同時に「粒」の性質も持っている。光の粒「光子」としての性質を利用出来るようになると、どんな盗聴でも検知する暗号を作ることが可能になる。光子を盗聴するということは光子を抜き出すということで、抜き取られた部分は光子が抜け落ちたまま受信されるため、盗聴されたことがすぐに分かってしまうからだ。


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「アモルファス氷」と呼ばれる急速冷凍して作った過冷却氷は、固体ではなく液体だった!

 氷にアモルファスな2つのタイプ

 アモルファス (amorphous)とは、 非晶質のことで、結晶のような規則正しい原子配列はないが、原子どうし結合した状態で、これは熱力学的には、非平衡な準安定状態である。ガラスなどはアモルファスである。

 水を冷やすと0℃で氷になるといわれるが、実際には、結晶の核ができるまでに時間がかかるので、0℃を下回ってもすぐに氷になるわけではない。純粋な水を、ゆっくりと刺激を与えずに冷却すると、0℃よりもかなり低温まで過冷却できる。それでも、実験で到達できる過冷却温度は-30℃ぐらいが限界で、その先はどうやっても結晶化がおこる。

 一方、計算機シミュレーションでは、不純物の影響を完全に排除できるので、結晶化を起こさせずにもっと過冷却することができる。水をそこまで深く過冷却すると、その先には驚くべき現象が待っている。結晶化しないまま、固く凝った状態をガラス状態あるいはアモルファスと呼ぶが、水には2種類のガラス状態があるらしい。


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熱い熱い系外惑星を発見、4,300度で史上最高!大気は「分子」が分解して「プラズマ」状態?

 ホットジュピターとは?

 ホット・ジュピター(Hot Jupiter) は、木星ほどの質量を持ちながら、主星の恒星から、わずか0.015au(224万km)から0.5au(7480万km)しか離れておらず、表面温度が非常に高温になっている太陽系外惑星の分類の一つである。恒星に極めて近く、強烈な恒星光を浴びるため表面温度は高温になっていると予想されている。「ホット・ジュピター」は直訳すれば「熱い木星」となるが、このような特徴に由来したものである。この種の系外惑星は1995年頃から続々と発見されつつある。

 主星に近く、質量が大きく、高速で公転しているため、惑星に重力による、主星のわずかな揺れを検出するドップラー分光法での発見が最も簡単なタイプである。最もよく知られているホット・ジュピターはペガスス座51番星bである。ペガスス座51番星は、太陽に似た恒星を、わずか4日間で公転しており、1995年に発見された。

 他にも、離心率の大きい彗星のような楕円軌道を描き、灼熱期と極寒期をめまぐるしく繰り返す巨大惑星エキセントリック・プラネットも発見されている。両者はこれまでに発見された太陽系外惑星のうち大半を占めているが、後者の方が圧倒的に多い。いずれも、我々の太陽系の惑星からは想像もつかない惑星である。


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ブラックホールに新しい解釈、相対性理論を破綻させる「裸の特異点」は異次元の世界でなら存在可能か?

 ブラックホールの中はどうなっているのだろう?

 ブラックホール(black hole)とは、極めて高密度かつ大質量で、強い重力のために物質だけでなく光さえ脱出することができない天体である。質量が太陽の約30倍以上ある恒星が寿命を迎えるとき、自己重力が中性子の核の縮退圧を凌駕(重力の強さで中性子が潰れ始める)するため、超新星爆発の後も核が収縮(重力崩壊)を続ける。この段階になると星の収縮を押し留めるものは何も無いため永久に縮み続ける。こうしてシュバルツシルト面より小さく収縮した天体がブラックホールである。

 ブラックホールは2つの部分からなる。中心には「特異点」が存在し、星を構成していたすべての物質がこの無限に小さな点に押し潰されている。特異点の周囲には、そこからの脱出が不可能な空間が広がっており、その空間の境界は「事象の地平線(事象地平)」と呼ばれる。ひとたび事象地平を越えたが最後、再び出てはこられない。ブラックホールに落ちていく物体が放つ光さえもがつかまってしまうので、外側にいる観察者は二度とその物体を見ることができない。物体は落ち続け、特異点に達して押し潰される。

 しかし、この描像は本当に正しいのだろうか? 既知の物理法則によれば、特異点ができるのは確かだが、事象地平についてははっきりしない。大部分の物理学者は、事象地平が科学上の不都合を覆い隠してくれる“イチジクの葉”として非常に魅力的だという理由だけで、事象地平が形成されなければならないという仮定の下に研究を進めている。


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日本版GPS衛星「みちびき」打上げ成功!スマホでも利用GPSの仕組みとは?誤差がわずか数センチに

 日本版GPS衛星「みちびき」を打ち上げ成功

 スマートフォンやカーナビなどで利用されている、位置情報システムの性能を飛躍的に高める日本版GPS衛星の「みちびき」が、6月1日午前9時17分、鹿児島県の種子島宇宙センターからH2Aロケットの34号機で打ち上げられた。「みちびき」は、打ち上げのおよそ29分後、午前9時46分ごろに、高度275キロ付近で切り離された。

 日本版GPS衛星の「みちびき」は、アメリカのGPSと同じように、スマートフォンなどの携帯端末で位置情報を得られる衛星で、1つの機体が1日あたり8時間程度、日本付近の上空にとどまる特殊な軌道を飛行する。

「みちびき」は、今回も含めて、ことし中に合わせて3機が打ち上げられる計画で、7年前に試験的に打ち上げられた1機と合わせて、4機体制が整えば、常に1機以上が日本付近の上空を飛行するようになり、来年の春にも実用化する予定だ。


 

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