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単語帳
高校1~高校2年生 (15-17歳)

宇宙の膨張とビッグバン

Expanding Universe & Big Bang

宇宙は風船の表面の点のように、空間そのものが伸びて膨張しています。 遠い銀河ほど速く遠ざかり、これがハッブルの法則 v = H₀d であり、遠ざかる銀河の光は波長が伸びて赤方偏移して見えます。 約138億年前の超高温・超高密度の状態から始まったビッグバンは、宇宙膨張、宇宙背景放射(約2.7 K)、水素とヘリウムの比などの観測で支えられます。 このページではスケールファクターのスライダーを上げ、銀河が観測者からどう遠ざかるかを見てみましょう。

宇宙は膨張している
🎈 風船の例え
①風船の表面に点を打って膨らませる — すべての点が互いに離れる
②どの点から見ても他が遠ざかるように見える
③これが宇宙膨張!空間自体が伸びている
宇宙膨張の可視化
1
💡 主要な観察
①スケールファクターを上げると全ての銀河が観測者から遠ざかる
②遠い銀河ほど速く遠ざかる(矢印が長い)
③これがハッブルの法則の核心:距離に比例する後退速度
ハッブルの法則
ハッブルの法則
v = H₀d
後退速度(v)= ハッブル定数(H₀) × 距離(d) — 遠いほど速く後退
赤方偏移
z = Δλ / λ₀ = v / c
遠ざかる銀河の光 → 波長が伸びる(赤方偏移)→ 後退速度測定
🔴 赤方偏移で距離測定
①近づく救急車のサイレン:高い音 → 低い音(ドップラー効果)
②遠ざかる銀河の光も同様 — 波長が伸び赤く見える
③赤方偏移が大きいほど速く後退 → より遠い銀河
ビッグバン宇宙論
ビッグバン宇宙論の核心
約138億年前·超高温·超高密度の一点から大爆発 → 膨張中
ビッグバン後に宇宙が膨張·冷却 → 現在の宇宙
ビッグバンの3大証拠
①ハッブルの法則(宇宙膨張) ②宇宙背景放射(2.7K) ③水素:ヘリウム = 3:1
これら3つの観測結果はビッグバン理論でのみ説明可能
📡 宇宙背景放射(CMB)
①ビッグバン後約38万年 — 宇宙が十分に冷えて光が直進可能に
②その時の光が宇宙膨張でマイクロ波となり全方向から観測
③温度:約2.7K — 1965年ペンジアスとウィルソンが偶然発見
例題と過去問で確認
例題 1
ハッブル定数がH₀ = 70 km/s/Mpcのとき、距離100 Mpcの銀河の後退速度は?
1
ハッブルの法則 v = H₀d を使う。
2
v = 70 km/s/Mpc × 100 Mpc = 7,000 km/s。
7,000 km/s
遠い銀河ほど後退速度が距離に比例して大きくなる。
例題 2
ビッグバン宇宙論を支える代表的な観測的証拠を3つ挙げよ。
1
遠ざかる銀河の赤方偏移で確認された宇宙膨張(ハッブルの法則)が第一の証拠である。
2
ビッグバン後約38万年の光である宇宙背景放射(約2.7 K)と軽元素比(水素 : ヘリウム ≈ 3 : 1)も支持する。
宇宙膨張(ハッブルの法則)、宇宙背景放射(約2.7 K)、水素 : ヘリウムの質量比 ≈ 3 : 1
3つの証拠はすべてビッグバン理論でのみ一貫して説明される。
共通テスト類題
宇宙の膨張とビッグバン宇宙論についての説明として正しいものは?
赤方偏移は銀河が近づくときに現れる
ハッブルの法則によれば遠い銀河ほど速く遠ざかる
宇宙背景放射の温度は約270 Kである
宇宙の年齢は約46億年である
宇宙背景放射は特定の一方向からのみ観測される
② ハッブルの法則によれば遠い銀河ほど速く遠ざかる
1
ハッブルの法則 v = H₀d では後退速度が距離に比例するため、遠い銀河ほど速く遠ざかる。
2
赤方偏移は遠ざかるときに現れ(①)、背景放射は約2.7 Kで(③)、宇宙の年齢は約138億年で(④)、背景放射は全方向から均一に観測される(⑤)。
総まとめ
宇宙膨張·ビッグバンの核心
v = H₀d(ハッブルの法則)/ ビッグバン → 膨張 → 現在の宇宙
赤方偏移で後退速度を測定·距離と比例 → 宇宙膨張の証拠
🎯 試験ポイント
①ハッブルの法則:v = H₀d — 後退速度は距離に比例
②赤方偏移:遠ざかる銀河 → 波長が伸びる(赤側へ)
③ビッグバン3大証拠:宇宙膨張·CMB(2.7K)·水素:ヘリウム ≈ 3:1
④宇宙背景放射:ビッグバン後38万年の光·全方向で均一
④宇宙の年齢:約138億年(ハッブル定数から推定)
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