seegongsik
中学3年生 (14-15歳)

中3 銀河と宇宙の膨張 わかりやすく

Galaxies and the Expanding Universe

晴れた田舎の夜空を横切るぼんやりした光の帯、天の川は、わたしたちのいる銀河系を内側からななめに見たすがたです。銀河は数千億個の恒星とガス、ちりが重力で集まった巨大な集団で、形によってうずまき銀河、だ円銀河、不規則銀河に分けられます。 遠くの銀河は、ほとんどすべてわたしたちから遠ざかっています。銀河が宇宙空間を飛んでいるのではなく、銀河と銀河の間の空間そのものがのびているからです。 2つ目の図で時間をふやすと、どの銀河から見てもほかの銀河が遠ざかり、遠い銀河ほど矢印が長く、速く遠ざかります。 3つ目のグラフは、その関係を距離と遠ざかる速さの直線で表したハッブルの法則で、その証拠が光の波長がのびる赤方偏移です。

銀河とは

🌌 恒星が集まった巨大な都市
①銀河は、数千億個の恒星とガス、ちりが重力で集まった巨大な集団である
②銀河系は太陽系がふくまれる銀河で、中心に棒状の構造があるうずまき銀河であり、恒星は約2000億個ある
③銀河は形によって、うずまき銀河、だ円銀河、不規則銀河に分けられる
④観測できる宇宙には、数千億個をこえる銀河がある
うずまき銀河
📝 銀河の形
①うずまき銀河：明るい中心部をうずまきのうでがとりまく。銀河系、アンドロメダ銀河
②だ円銀河：球やラグビーボールのような形で、年老いた恒星が多く、新しい恒星はほとんど生まれない
③不規則銀河：決まった形がない。大マゼラン雲、小マゼラン雲

宇宙は膨張している

🎈 ふくらむ風船の上の点
①風船に点をかいてふくらませると、点と点の間の距離がすべてのびる
②どの点から見ても、ほかの点は遠ざかる。宇宙には決まった中心がない
③宇宙でも同じように、銀河の間の空間そのものがのびている
④はじめに遠くにあった銀河ほど、同じ時間に大きく遠ざかるので、速く遠ざかって見える
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ハッブルの法則と赤方偏移

🔴 赤方偏移が教えること
①遠ざかる物体から来る光は、波長がのびて赤い方にずれる（赤方偏移）
②ハッブルは、遠い銀河ほど赤方偏移が大きいことを見つけた
③つまり、遠い銀河ほど速く遠ざかっている
④これが宇宙が膨張している証拠である

まとめ

ハッブルの法則
v = H₀ × d
遠ざかる速さ ＝ ハッブル定数 × 距離（H₀ ≈ 70 km/s/Mpc）
宇宙の膨張の証拠
赤方偏移 → 銀河が遠ざかっている
光の波長が大きくのびているほど、その銀河は速く遠ざかっている
ビッグバン
約138億年前、とても熱く小さな状態から宇宙が膨張しはじめた
膨張を過去へさかのぼると、宇宙はずっと小さく熱かった
🎯 テストでよく問われること
①銀河は恒星の巨大な集団で、うずまき銀河・だ円銀河・不規則銀河に分けられる
②銀河系はうずまき銀河で、太陽系は中心から約2万6千光年はなれたうでの中にある
③赤方偏移は、銀河が遠ざかっている証拠である
④ハッブルの法則：v = H₀d。遠い銀河ほど速く遠ざかる
⑤ビッグバン：約138億年前に宇宙が膨張しはじめた

例題と単元テスト

例題 1
遠くの銀河の光を観測すると、波長がもとより長くなっていた（赤方偏移）。これは、その銀河がどのように動いていることを意味するか。
1
遠ざかる物体から来る光は、波長がのびて赤い方にずれる。
2
したがって、赤方偏移が見られる銀河は、わたしたちから遠ざかっている。
▸ その銀河は、わたしたちから遠ざかっている
近づいてくる天体では逆に波長が短くなる青方偏移が見られる。近くのアンドロメダ銀河がその例である。
例題 2
ハッブルは、銀河までの距離と遠ざかる速さの間にどんな関係を見つけたか。遠い銀河ほど、遠ざかる速さはどうなるか。
1
ハッブルの法則によると、遠ざかる速さvは距離dに比例する（v = H₀d）。
2
したがって、遠い銀河ほど速く遠ざかる。
▸ 遠ざかる速さは距離に比例するので、遠い銀河ほど速く遠ざかる
100 Mpcはなれた銀河は、約 70 × 100 = 7000 km/s で遠ざかっている。
単元テスト
銀河と宇宙膨張についての説明として正しいものは？
①赤方偏移は銀河が私たちに近づく証拠である
②ハッブルの法則によれば遠い銀河ほど遅く遠ざかる
③距離の遠い銀河ほど速く遠ざかる
④私たちの銀河は楕円銀河である
⑤宇宙は大きさが変わらず一定に保たれる
▸ ③ 距離の遠い銀河ほど速く遠ざかる
1
赤方偏移は銀河が遠ざかる証拠で（①誤）、ハッブルの法則によれば遠い銀河ほど速く遠ざかる（②誤）。
2
私たちの銀河は渦巻銀河で（④誤）、宇宙は膨張している（⑤誤）。ハッブルの法則 v ＝ H₀d により遠い銀河ほど速く遠ざかる（③正）。
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