太陽は熱いのに、なぜ宇宙は寒いのでしょうか?

宇宙はどれくらい寒いのか？そして太陽はどれくらい暑いのか？これらはどちらも素晴らしい質問です。地球上の穏やかな居住地とは異なり、太陽系は極端な温度に満ちています。太陽はガスと火の塊で、中心核の温度は約 2,700 万度、表面の温度は 10,000 度です。一方、宇宙背景温度（地球の温暖な大気から十分に離れた宇宙空間の温度）は -455 度です。

しかし、銀河系のある部分が凍りつく一方で、別の部分が焼けつくような暑さになるのはなぜでしょうか? 学者 (および NFL 選手) は、このパラドックスについて永遠に頭を悩ませてきました。

まあ、これにはもっともな説明があります。熱は宇宙を放射線、つまりより熱い物体からより冷たい物体へと移動する赤外線エネルギー波として伝わります。放射線波は接触した分子を励起し、加熱します。これが太陽から地球への熱の伝わり方ですが、問題は放射線が直接その経路にある分子と物質だけを加熱することです。それ以外のものは冷たいままです。水星を例に挙げましょう。NASA によると、水星の夜間の気温は放射線にさらされる昼間の気温より華氏 1,000 度低くなることがあります。

これを地球と比較してみましょう。地球では、日陰にいても、また季節によっては夜の闇の中でも、周囲の空気は暖かいままです。これは、熱が 1 つの方法ではなく、伝導、対流、放射という 3 つの方法で私たちの美しい青い惑星全体に伝わるからです。太陽の放射が当たって大気中の分子を温めると、その余分なエネルギーが周囲の分子に伝わります。その分子は、さらに隣の分子にぶつかって熱を出します。この分子から分子への熱伝達は伝導と呼ばれ、太陽の進路外の領域を温める連鎖反応です。

[関連: 宇宙で死ぬと身体に何が起こるのか?]

しかし、宇宙は真空、つまり基本的に何もない状態です。宇宙のガス分子は、互いに定期的に衝突するには数が少なすぎ、距離も離れすぎています。そのため、太陽が赤外線で分子を加熱しても、伝導によってその熱を伝達することはできません。同様に、対流（重力下で起こる熱伝達の一種）は、地球全体に熱を拡散させるのに重要ですが、無重力空間では起こりません。

これらは、NASA の DART プロジェクトの熱工学エンジニアであるエリザベス・アベル氏が、宇宙での長期航海用の乗り物や装置を準備する際に考えていることです。パーカー・ソーラー・プローブに取り組んでいたときは特にそうだったと彼女は言います。

名前からお分かりのように、パーカー・ソーラー・プローブはNASAの太陽研究ミッションの一部です。恒星の大気圏の最外層であるコロナを高速で通過し、データを収集します。2021年4月、この探査機は太陽の炎から650万マイル以内に接近しました。これは宇宙船が太陽に最も近づいた距離です。これは探査機の片側に突き出ている熱シールドのおかげです。

「その熱シールドの役割は、太陽放射が宇宙船のどこにも触れないようにすることです」とアベル氏は言う。そのため、熱シールドが主星の極度の熱（約250度F）にさらされている間、宇宙船自体はそれよりずっと低く、約-238度Fであると彼女は言う。

[関連: 太陽フレアと宇宙天気についてどの程度心配すべきか?]

小惑星に衝突して軌道をずらすように設計された小型宇宙船 DART の主任熱エンジニアとして、アベルは深宇宙の温度を管理するために実用的な手順を踏んでいます。氷の空間と太陽の熱の間の極端な温度差は、独特の課題をもたらします。宇宙船の一部は、ショートしないように十分に冷却する必要があり、他の部分は機能するのに十分な温度に保つために加熱要素が必要でした。

数百度の温度変化に備えるというのは無茶な話に聞こえるかもしれないが、宇宙ではそれが現実なのだ。本当に奇妙なのは地球だ。極寒と灼熱の真っ只中にある地球の大気は、少なくとも今のところは驚くほど穏やかに保たれている。

このストーリーは更新されました。元々は 2019 年 7 月 24 日に公開されました。