サイエンスジャーナル

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物理

天の川を撃ち抜く超音速弾丸!正体は浮遊ブラックホールの可能性!ブラックホールは宇宙に無数存在する

 ブラックホールは宇宙にどのくらい存在するか?

 宇宙の謎の一つ、ブラックホールはどこにどのくらいあるのだろうか?銀河の中心(バルジ)にあるというのは、わりと知られていると思うが、それ以外は?

 銀河中心にあるものは、有名でしかも大重量だから見つけやすい。だが、最近X線天文学で、スーパールミナスX線源(超明るいX線源)といって、銀河の円盤の真ん中ではなく、端っこにあるものが発見されている。

 いろんな説があるのだが、1つは質量が、太陽質量の数100倍から数千倍くらいの、銀河中心のものから比べたらかなり小さめのブラックホールがあって恒星質量ブラックホールより大きく超巨大ブラックホールよりは小さい「中間質量ブラックホール」と呼ばれ、何か物が吸い込まれる時にX線を放っていると考えられている。


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ついに!謎の高速電波バーストの発生源(FRB 121102)を特定!30億光年の彼方にある矮小銀河から届く

 高速電波バースト(FRB)とは何か?

 電波望遠鏡で夜空を観測していると、継続時間がわずかに数ミリ秒(1ミリ秒=1/1000秒)という極めて短い謎のフラッシュ現象が起きている。その頻度は、全天で1日あたり数千回も起きていると言われている。これを「高速電波バースト(Fast Radio Burst=FRB)」という。

 その正体は全く不明で、その距離すら、地球大気で発生しているのか、宇宙論的な遠距離なのか、皆目わからない状況だった。一般に天文学で難しいのは天体までの距離を決めること。距離がわからないと、天体が放つエネルギーの大きさも全くわからないため、まずは距離を決めることがその天体を理解する第一歩である。

 さまざまな波長における高性能望遠鏡のおかげで天文学が大きく発展している今日、このように距離すら全くわからないという「謎の天体現象」は他にない。これまで、FRBの直接的な距離測定はなされていなかったが、実はFRBの電波の特徴から距離が推定されていた。FRBからの電波は、波長の長いものほど遅れてシグナルが到着する。


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宇宙ガンマ線背景放射では「ダークマター」の証拠発見されず?「エントロピック重力理論」に注目

 ダークマターの証拠未だ発見できず

 ダークマター(暗黒物質)とは、宇宙に存在すると考えられている、光などの電磁波で観測できない未知の物質を指す言葉である。2013年に公表された観測結果によると、宇宙全体のエネルギー密度のうちダークマターは約27%を占めている。さらにダークエネルギーと呼ばれる未知のエネルギーが約68%あり、私たちの知っている通常の物質は約5%でしかない。その正体はいまだ謎に包まれている。

 最有力候補とされているのが超対称性理論によって予言されているニュートラリーノという粒子。ニュートラリーノはマヨラナ粒子(粒子と反粒子が同一であるフェルミ粒子)であり、ニュートラリーノ同士が衝突・対消滅を起こして電子・陽電子対やガンマ線を生成する反応が起こっていると予測されている。

 今回、宇宙全体で観測される宇宙ガンマ線背景放射を分析したところ、それがダークマターのものであるという証拠が得られなかった。つまり、ニュートラリーノ同士が衝突・対消滅を起こして電子・陽電子対やガンマ線を生成している...という証拠は未だに観測されていない。


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第63回ノーベル物理学賞 ウィグナー「パリティ対称性の発見」メイヤー、イェンゼン「原子核の殻構造に関する研究」

原子核の構造と魔法数の発見

 核子(nucleon)は、原子核を構成する陽子と中性子のこと。原子核とは原子の核であり、この中に一定数の核子(陽子と中性子)が含まれる。炭素の12Cであれば1つの核の中に6個の陽子と中性子を含む。 陽子も中性子もバリオンの一種であるため、核子もまたバリオンの一種である。

 原子核の中の陽子や中性子の数に規則性はあるのだろうか?陽子数 Z または中性子数 N が2,8,20,28,50,82,126の原子核は特に安定であることが実験的に知られており,これらの数を「魔法数」という。

 これらの原子核の結合エネルギーは大きく、安定した原子核を構成する。このような原子核を魔法核という。ヘリウム、酸素、カルシウム、ニッケル、錫(すず)、鉛などが知られている。

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何と本当はダークマターも重力も存在しないかもしれない? 「エントロピック重力理論」と観測データが一致!

ダークマター存在せず? - 「エントロピック重力理論」と観測データが一致

 「重力もダークマターも実在しない。幻想である」物理学者が宇宙の定義を完全に覆す理論を提唱している。科学革命が起きるのだろうか?

 ニュートンが万有引力の法則を見出して以来、“重力”は宇宙の厳然たる事実として誰もが受け入れてきた。しかし、ここにきて人類の世界観が大きく変わろうとしている。なんと、「重力もダークマターも実在しない」という驚愕の理論が実証されたという。

 ライデン天文台(オランダ)の天文学者マーゴット・ブラウワー氏らの研究チームは、宇宙における重力分布の測定データを分析し、「エントロピック重力理論(ヴァーリンデ理論)」と一致する結果を得たと報告した。


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反物質の謎に迫る観測成果!「反ヘリウム」を宇宙空間(ISS)で検出か?「反水素」の吸収線スペクトルを観測

 2種類の反物質を観測 謎は解けるか?

 反物質(antimatter)というと、質量とスピンが全く同じで、構成する素粒子の電荷などが全く逆の性質を持つ反粒子によって組成される物質。例えば、電子はマイナスの電荷を持つが、反電子(陽電子)はプラスの電荷を持つ。

 宇宙の誕生時、物質と反物質は同数あったと考えられる。しかし現在の宇宙には物質が大量にあり、反物質はほとんど存在しない。「消えた反物質」は物理学の謎で、物質と反物質には「電気以外に異なる性質がある」という説があるが、反物質は物質と触れると消滅するため検証が困難だった。

 また、物質と反物質が衝突すると対消滅を起こし、質量がエネルギーとなって放出される。これは反応前の物質・反物質そのものが完全になくなってしまい、消滅したそれらの質量に相当するエネルギーがそこに残る 。1gの質量は約 9×1013(90兆)ジュール のエネルギーに相当する。


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遠い昔、光は今より速かった? アインシュタインの「光速度不変の原理」を超えなければ、宇宙は説明できない

 光速度不変の原理とは何か?

 光速度不変の原理とは、互いに等速度運動をするすべての観測者からみて、光源の運動によらず真空中の光速度は常に一定の値をとるという原理。1905年にアインシュタインが特殊相対性理論の基本原理として導入した。

 これは光速が、真空中では「毎秒約30万kmの速さ」であり、この速さが変わらないという意味ではない。光源が動いていようが、観測者が動いていようが光だけは速度が「毎秒約30万kmの速さ」で伝わるという意味である。

 わかりにくいので光を電車の話のように考えてみよう。線路の横でAがたちどまりながら、走っている電車を見るのと、電車の横をBが「車」で走りながら電車をみるのとでは、当然のようだがBの方が電車が遅く見える。


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IUPAC、113番元素「ニホニウム」など新4元素名を正式決定!モスコビウム(Mc)、テネシン(Ts)、オガネソン(Og)とは?

UPAC、理研発113番元素「ニホニウム」など新4元素名を正式決定

 理化学研究所(理研)は11月30日、同研究所が国際純正・応用化学連合(IUPAC)へ提出していた113番元素の元素名案および元素記号案について、提案どおり、元素名「nihonium(ニホニウム)」、元素記号「Nh」に正式決定されたと発表した。

 原子番号113の元素は、理研 仁科加速器研究センター 超重元素研究グループの森田浩介グループディレクター(九州大学大学院理学研究院教授)を中心とする研究グループが、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)」の重イオン線形加速器「RILAC」を用いて2004年7月に初めて合成に成功したもので、その後、2005年4月、2012年8月にも合成に成功。2015年12月31日に、同研究グループによる113番元素の発見がIUPACにより認定され、命名権が与えられていた。

 同研究グループは、今年3月18日にIUPACへ元素名案「nihonium」、元素記号案「Nh」を提案しており、6月8日から開始された5カ月間のパブリックレビューとIUPACによる審議を経て、今回の正式決定に至った。


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遥か50億光年から飛来する謎の「高速電波バースト(FRB)」!正体は中性子星の合体か?

高速電波バースト(FRB)とは何か?

 電波望遠鏡で夜空を観測していると、継続時間がわずかに数ミリ秒(1ミリ秒=1/1000秒)という極めて短い謎のフラッシュ現象が起きている。その頻度は、全天で1日あたり数千回も起きていると言われている。これを「高速電波バースト(Fast Radio Burst=FRB)」という。

 その正体は全く不明で、その距離すら、地球大気で発生しているのか、宇宙論的な遠距離なのか、皆目わからない状況だった。一般に天文学で難しいのは天体までの距離を決めること。距離がわからないと、天体が放つエネルギーの大きさも全くわからないため、まずは距離を決めることがその天体を理解する第一歩である。

 さまざまな波長における高性能望遠鏡のおかげで天文学が大きく発展している今日、このように距離すら全くわからないという「謎の天体現象」は他にない。これまで、FRBの直接的な距離測定はなされていなかったが、実はFRBの電波の特徴から距離が推定されていた。FRBからの電波は、波長の長いものほど遅れてシグナルが到着する。


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ゲート長1nmの世界最小トランジスタ(MOSFET)を作製!電界効果トランジスタ(MOSFET)とは何?ムーアの法則はまだ続く...

 増幅型トランジスタからスイッチ型トランジスタへ

 トランジスタは、1948年に AT&T ベル研究所のショックレー、バーディーン、ブラッテンらのグループによって発明された。彼らは、軍事レーダーを検知する研究から半導体のゲルマニウムに注目し、このゲルマニウムに微量の不純物を加えたものを組み合わせると、電流の増幅作用 (元の信号と同じ形をした強い信号を作り出す作用) が生まれることを発見した。当時は真空管を用いて軍事レーダーの微弱な電波を増幅していたが、トランジスターは真空管よりも消費電力が少なく、寿命も長いというメリットを備えている。やがてシリコンが半導体として使われるようになると、真空管を置き換える次世代の素子として、軍事用途だけでなく民生用途にも利用範囲が一気に広がり、またたく間に普及した。

 トランジスタは、主に信号増幅用の素子として使われ始めたが、時間が経つにつれてスイッチとしての機能にも着目されるようになった。実は、増幅作用を最も単純化したものがスイッチとしての働き。増幅する前の信号を「流れている」と「流れていない」という 2つの状態に限定すれば、それによって増幅される信号も「流れている」と「流れていない」という 2つの状態のみとなる。つまり、増幅前の信号がスイッチのボタンとなり、このボタンに連動して増幅後の信号を流したり、止めたりすることができる。このようにして動作するスイッチは、金属と金属が触れ合う機械的なスイッチと異なり、非常に高速に、しかも半永久的に動作する。


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爆発寸前!謎の連星で、時速960万km数百万度の「風」を観測!りゅうこつ座の巨星イータ・カリーナ

超新星爆発間近の恒星

 太陽が誕生してから約45億年、太陽は誕生から現在までに30%ほど明るさを増してきたとされている 。今後も太陽は光度を増し続け、最終的には現在の2倍ほどの明るさになると予想されている。

 63億年後には中心核で燃料となる水素が使い果たされ、中心核ではなくその周囲で水素の核融合が始まるとされる。その結果、重力により収縮しようとする力と核融合反応により膨張しようとする力のバランスが崩れ、太陽は膨張を開始して赤色巨星の段階に入る。赤色巨星の段階に続いて太陽は脈動変光星へと進化し、これによって外層の物質が放出されて惑星状星雲を作り、10~50万年にわたってガスを放出する。

 その後、太陽は白色矮星となり、何十億年にもわたってゆっくりと冷えていき、123億年後には収縮も止まる。このシナリオは質量の小さな恒星の典型的な一生であり、恒星としての太陽は非常にありふれた星であると言える。太陽は超新星爆発を起こすのに十分なほど質量が大きくない。


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20世紀最大の発明「トランジスタ」 エレクトロニクス時代の幕開け、トランジスタの誕生とそのしくみ

様々な電気用図記号

 電気用図記号は、電気回路図を書く時に使う記号である。日本ではJIS C 0301が長らく使われていたが,TBT協定を遵守するためこれを廃止し,IEC 60617第2版と同一の規格として1997年と1999年の2年に分けてJIS C 0617「電気用図記号」として制定された。

 様々な電子デバイス登場したため、電気用図記号も実にさまざまである。トランジスタ、発光ダイオード、IC...。中には太陽光発電装置もある。下の電気用図記号は何を表すか? 正解は a.アンテナ b.スピーカー c.光ファイバー d.コンデンサー e.発電機 f.ブザー g.コイル h.抵抗 i.太陽光発電装置 j.トランジスタ k.発光ダイオード l.IC(集積回路) 

 この中でも20世紀の偉大な発明の一つといってよいのがトランジスタ。トランジスタがIC(集積回路)を生み、集積回路がコンピューターを生んだからだ。その発明者の一人がウイリアム・ショックレー。1956年のノーベル物理学賞を受賞者だ。


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2016年ノーベル物理学賞は米研究者3名「トポロジカル相転移」! 超伝導や量子ホール効果を解明

今年のノーベル物理学賞は「トポロジカル相転移」

 スウェーデンの王立科学アカデミーは10月4日、今年のノーベル物理学賞を米国の研究者3名に授与すると発表した。

 今回は、ワシントン大学のデビッド・サウレス(David J. Thouless)氏、プリンストン大学のダンカン・ホールデン(F. Duncan M. Haldane)氏、ブラウン大学のマイケル・コステリッツ(J. Michael Kosterlitz)氏ら3名の共同受賞となる。

 授賞理由は「トポロジカル相転移と物質のトポロジカル相の理論的発見」である。ノーベル財団の発表によると、固体物理学における20世紀の最大の発見とも言われている。


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世界初!超正確な原子時計「光格子時計」で標高差の精密測量に成功!相対性理論応用

正確な1秒を求めて

 古代から人類は正確に時(とき)を計ろうとたゆまぬ努力を続けてきた。紀元前3500年頃のエジプトでは石で作った背の高いモニュメント(オベリスク)を建て、その陰の動きで時を知ろうとした。16世紀にガリレオ・ガリレイは振り子が一定の周期で振れることを発見した。この原理を応用した振り子時計によって、人類は自然に頼らずに時を刻む技術を手に入れた。

 かつての1秒の長さの定義は、地球の自転や公転などに基づいた天文学的な定義によるものだった。すなわち1年で地球は太陽のまわりを公転し、地球は1日に1回自転する。これをもとにして、1日を24等分して1時間とし、60等分して60分・60秒を決めたのである。

 だが、実際の地球の動きは理想どうりになっていなかった。1年は365日ピッタリではなく約365.2422日である。このずれを調節するために4年に1回366日の年、閏年(うるうどし)を設けた。また、地球の自転周期は23時間56分4.06秒であるが、地球は自転しながら公転もしているので、1日に換算すると約24時間になっている。


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夢の超特急「ハイパーループ」 年内に試験走行へ!時速1100キロ超の交通システム

 夢の超特急ハイパーループ年内試験走行へ

 夢の超特急ハイパーループが年内に試験走行する。しくみは日本の超伝導リニアと同じだ。違うのは超伝導リニアが空気中を走るのに対し、ハイパーループは真空中を走るということ。そのため、空気を抜いたチューブの中を走行する。

 超伝導リニアは浮上しているのだから、接地摩擦抵抗がない。日本の誇る技術であり到底、時速600km/hを安全に走行できる乗り物は、不可能かと思えわれた。ところが、このスピードを遙かに乗り越える乗り物ができる。何と、最高時速1287km(800マイル)で、ロサンゼルスとサンフランシスコ間640kmを30分で結ぶという。いったいどんな乗り物なのだろうか?

 2016年早々に米カリフォルニアでの着工が決定。2018年には乗客も運ぶ予定だという。そんな構想を立てているのが、億万長者の起業家イーロン・マスク氏だ。高架のチューブ内で空気の力を使って人が乗る「ポッド」を浮上させ、ソーラーパワーにより音速で走らせる「ハイパーループ」というシステムを目指している。


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第62回ノーベル物理学賞 レフ・ランダウ「凝集系の物理、特に液体ヘリウムの理論的研究 」

大粛清の嵐の中で

 1962年のノーベル物理学賞の受賞者は、旧ソ連の物理学者レフ・ダヴィドヴィッチ・ランダウである。ランダウの授賞理由は「凝集系の物理、特に液体ヘリウムの理論的研究」である。

 時代は第二次世界大戦前夜、1937年、KGBはハリコフ研究所の数名のドイツ人物理学者と一団の科学者を逮捕した。ランダウの友人であったシュブニコフ(Lev Shubnikov)とロゼンケ ーヴィチ(Lev Rozenkevich)は、その後処刑されるがその前に、ランダウが反革命組織 を率いていることを「告白した」。ランダウは、ハリコフを離れてもっと安全な場所に逃れねばならないと考えた。

 彼の上司であったカピッツアが1934年、モスクワにある物理問題研究所の理論部長という地位をランダウに提供したので、彼は2月にそこへ向かった。間もなく、ランダウの友人コレツとルメルもそこに転勤する。そして、1年もたたない1938年4月28日、ランダウと二人の友人はそこで逮捕された。罪状はスターリンを批判するビラを作成したことであった。


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「反物質」が消えた謎に迫る手がかり発見か?ニュートリノと反ニュートリノ に「CP対称性の破れ」

 反物質とは何だろう?

 反物質とは、質量とスピンが全く同じで、構成する素粒子の電荷などが全く逆の性質を持つ反粒子によって組成される物質。例えば電子はマイナスの電荷を持つが、反電子(陽電子)はプラスの電荷を持つ。中性子と反中性子は電荷を持たないが、中性子はクォーク、反中性子は反クォークから構成されている。

 反物質は、ダン・ブラウンの小説「天使と悪魔」で、ごく微量でも大規模な爆発を起こす爆弾の材料として登場する。反物質と物質が衝突すると対消滅を起こし、質量が大量のエネルギーとなって放出される。例えば、1gの質量は約 9×10000000000000(90兆)J(ジュール) のエネルギーに相当する。ただし 発生するニュートリノが一部のエネルギーを持ち去るため、実際に反物質の対消滅で発生するエネルギーは、これより少なくなるといわれる。

 反物質についての一番の謎は、宇宙が誕生したときの「ビッグバン」でできた「物質」と反対の性質をもつ「反物質」が、なぜ「反物質」の方だけ、ほとんど消えてしまったかがわからないということである。


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「ポケモンGO」大人気!GPSはなぜ場所がわかる?歩きスマホは危険、ルールを守って楽しく遊ぼう!

「Pokémon GO」が人気、だが危険?

 「Pokémon GO」が人気だ。だが、自動車の運転中にゲームを行い、車3台玉突き事故を起こしたり、夜の公園で熱中する大勢の人がいて、近所迷惑になったりするなど、懸念の声もあがっている。いったいどうなっているのか?

 「Pokémon GO」は、GPSによる位置情報を活用することにより、現実世界そのものを舞台として、ポケモンを捕まえたり、バトルしたりするといった体験をすることのできるゲーム。プレイヤーはスマートフォンを持ち、実際に家の外に出てポケモンを探したり、さまざまな場所を訪ねたりしながら、楽しむことができる。

 「Pokémon GO」は、屋外を歩いて、ポケモンが生息している場所を探したり、「ポケストップ」と呼ばれる現実世界の特定の場所に近づくことで、ゲーム内で使用するモンスターボールやポケモンのタマゴなどを入手したりすることができるゲームである。


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連星を回る木星サイズの巨大惑星を発見!2つの太陽を持つ惑星は存在自体が珍しい

連星に惑星はできにくい 

 連星(binary star)というとは2つの恒星が両者の重心の周りを軌道運動している天体である。通常は明るい方の星を主星、暗い方を伴星と呼ぶ。また、3つ以上の星が互いに重力的に束縛されて軌道運動している系もある。

 夜空に輝いている星のうち約25%、生まれたばかりの星については半分以上が連星だといわれている。つまり、宇宙にある恒星は、誕生の時点では半分以上、成熟した時点でも4分の1くらいが連星系をなしているという。太陽は今は単独の星なのだが、昔はひょっとしたら連星だったかもしれない。

 それほど、宇宙には連星の方が多い。そういう中でどういうふうに惑星が生まれるかはこれまで謎であった。2つの恒星がペアを成す連星の周囲を公転する惑星を「周連星惑星」という。


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銀河系の新しい質量は太陽7000億個分、暗黒物質が約9割と判明!新たな計測方法は球状星団の動き

世界人口の3分の1、天の川見られず

 天の川を見たことはあるだろうか?私がハッキリと天の川を見たのは、もう50年も前、両親の故郷である、四国、愛媛の今治で見た天の川であった。「この雲のように見える広がりが、星々の集まりであるのか...太陽はこのような天体の1つに過ぎないのだ」

 当時は街灯などほとんどない時代である。このとき初めて宇宙の広がりというものを感じた。その後数年、都会の喧騒を忘れて故郷に帰る、お盆の時だけ体験できる楽しみになった。だが、カエルの声だけはいつまでも鳴り響いていた。

 現代ではこれほどの暗闇にはめったに出会えない。世界の人口の8割以上が街の照明などで夜空が明るくなる「光害」の影響を受けており、約3分の1は「天の川」が肉眼で見られなくなっていることが欧米の研究チームの分析でわかった。


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