天文学者が宇宙（と宇宙にあるすべてのもの）の重さを量る方法

十分に長いてこと立つ場所があれば、アルキメデスは地球を動かせることを知っていました。同様に、惑星や恒星のような巨大な物体を、1 ポンドの鮭を天秤で量るのと同じように天秤で量ることは理論上しか考えられませんが、Wikipedia で簡単に検索すると、そのような計り知れない情報が大量に見つかります。太陽系の 8 つの惑星は、それぞれ 10^24 ～ 10^27 キログラムの重さがあります (これは、ディーラーが選んだ 1 ～ 9 の数字の後に 24 ～ 27 個のゼロが続くことを意味します)。太陽は 10^30 です。銀河の重さは約 10^42 キログラムで、目に見える宇宙全体は 10^53 程度になります。

これらの数字を、シロナガスクジラの体重など、もう少し身近なものに変換しようとすると、指数から 5 を引いてしまいます。しかし、どれだけ頭で理解しようとしても、数字は間違いなく巨大です。キログラムからポンドに換算しても、このスケールでは大した距離にはなりません。このような巨大な質量を想像することになると、人間の頭脳は完全に手に負えません。

それでも物理学者や天文学者は、どうにかして、一見測定不可能で絶対に想像もできないものの測定精度を上げ続けている。今月初め、研究チームがプレプリントサーバーarXivで、まだ査読されていない天の川銀河の質量の新しい推定値を発表した。この推定値には、瞬く星々の円盤と、それを取り囲んでいると思われる暗黒物質の目に見えない球体の両方が含まれている。彼らは、8900億個の太陽（そのほとんどは暗黒物質で、目に見えるすべての星とガスは太陽の600億個の質量に相当）に相当する質量を算出したが、これには1000億個の太陽の誤差がある。このような数字は不可解に思えるかもしれないが、そのほとんどすべてを1つの相互作用、つまり物体が重力で互いに引っ張り合う相互作用にまでさかのぼることができる。

しかし、まずは重量と質量について触れておきます。これらは密接に関連していますが、技術的には異なる性質です。公式には、「重量」は物体に作用する重力を表します。そのため、シロナガスクジラから銀河まで、何もない空間に浮かんでいる間は「重さ」はありません。研究者が本当に求めているのは質量です。つまり、物体に含まれる物質の不変の量、または物体を動かすのに必要な力です。しかし、最終的には、体重計に頼る場合でも天体観測に頼る場合でも、物体の「重量を量る」ということは、通常、物体と質量の大きい相手との間の重力を測定することになります。

地球

好奇心旺盛な人々が最初に計量しようとした本当に大きな物体は、私たちの足元にある物体でした。初期の試みは、惑星の大きさと密度を推測し、そこから質量を計算するというものでした。1600 年代までには、地球の直径、つまり体積の推定値はそれほど悪くありませんでした。しかし、パズルの密度の部分、つまり惑星が水でできているか岩石でできているかについては、誰も確信が持てませんでした。しかし、誰もが間違っていました。なぜなら、惑星は実際には主に金属でできており、金属はどちらよりも密度が高いからです。

その密度（つまり地球の質量）を割り出すため、イギリスの科学者ヘンリー・キャベンディッシュは 1798 年に重力の全体的な強さを測定した。アイザック・ニュートンは 1600 年代に、すべての物体は他のすべての物体を引っ張り、質量の大きい物体の方が強く引っ張ることを示していた。キャベンディッシュは小さな金属球を針金で吊るし、その近くに重い球を置き、球が互いに引き合うときに針金がねじれるのを観察した。この水平方向のねじれによって、彼は全般的な重力の強さを判定することができた。そして、地球の質量が球（つまりその重さ）をどれだけ強く引っ張るかを知った彼は、ニュートンの方程式を使用して、地球の組成が水の密度の 5.42 倍という、疑わしいほど金属に近い密度であると特定することができた。現代の物理学者は、彼の推測がわずか 0.7 パーセント間違っていたことを発見した。

太陽、惑星、その他

質量の定義の 1 つは、2 つの物体が重力によってどれだけ強く引っ張り合うかに関係しています。ニュートンとキャベンディッシュが重力の強さ全般、特に地球の質量を解明すると、科学者たちは宇宙の残りの部分の重量を測定するために必要なツールを手に入れました。

太陽は地球を365日に1回回転させるほど強く引っ張っており、一定の力、つまり質量があることを示しています。同様に、太陽をさまざまな天体ペアの主なパートナーと見なすことで、研究者は残りの惑星の重さをその年の長さに基づいて計算できます。衛星が惑星を周回する様子を観察することで、別のチェックと衛星の重量測定方法が得られます。小惑星の質量推定は、妥当な密度とサイズの推測に基づく一種の暗黒の芸術のままです。しかし、宇宙船をホストしたこれらの宇宙の岩石は、探査機（質量がわかっている）を引っ張らずにはいられず、その過程で自身の質量を明らかにします。

銀河

研究者は、地球が表面上または表面近くにある物体をどれだけ強く引きずり下ろすかを見ることで地球の質量を推測したり、惑星が太陽の周りをどれだけ速く回っているかを見ることで太陽の質量を推測したりできるのと同じように、銀河の周りを回る物体の動きから銀河の質量を読み取ることができる。

1970年代に暗黒物質の存在を初めて示唆したのは、この軌道を回る恒星の軌道だった。太陽系では、水星は海王星のほぼ9倍の速さで周回している。これは、太陽系の質量の大部分の源である太陽にずっと近いためだと、ヘザー・ゴス氏はエア・アンド・スペース・マガジンで説明している。研究者たちは、他の銀河でも同様のパターンが見られると予想しており、遠くの恒星は近くの恒星より​​も遅い軌道を描いている。

この関係はほとんどの銀河の中心付近では成立するが、その後は止まる。ある時点を過ぎると、天文学者は、どれだけ遠くを見ても、星々が驚くほど似た速度で周回していることを発見した。星々の複雑な動きは、目に見えない第 2 の質量源も星々を引っ張っていることを示唆している。(修正ニュートン力学として知られる理論は、ニュートンとキャベンディッシュの結果は大規模なスケールでは当てはまらないが、他の宇宙論的結果を説明するのに苦労することを示唆している。)

いずれにせよ、天文学者は、近隣の恒星や恒星群の同様の分析を通じて、私たちの銀河の重さを量っている。今年初めの別の推定を拡張した最近の研究では、恒星、星団、ガス雲など、天の川銀河の中心を周回する約 3,000 個の「トレーサー」オブジェクトのデータベースを活用している。研究者は、これらのトレーサーの動きを利用して、銀河に含まれる可視および暗黒の質量を計算した。

宇宙

不都合なことに、宇宙には目に見える軌道を周回する仲間がいません。ここで、標準的な重力スケールは崩れます。

宇宙の絶対的な大きさは不明であり、常に膨張しているため、その質量も同様に定義されていません。ただし、天文学者は、ビッグバンから現在までに光が移動できた距離に基づいて、観測可能な宇宙の体積を定義することができます。

しかし、宇宙の惑星、恒星、銀河、空間すべてを平均した存在の密度は、測定が難しいことが分かっている。1つの推定値は、2001年から2010年にかけて宇宙最初期の光の中の暖かい部分と冷たい部分を測定した衛星、ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機（WMAP）によるものだ。これらの斑点は、物質と光の濃いスープが若い宇宙を満たしていたころの権力闘争の名残だ。重力が粒子を引き寄せ、光が粒子を押し離し、波打つさざ波を作り出した。このさざ波は、WMAPが捉えるまで宇宙の膨張とともに大きくなっていた。今日、これらの変化のパターンから、宇宙論学者は宇宙の年齢と構成を計算できる。全体的な密度も計算できる。密度は1立方メートルあたり陽子約6個分に相当する。

この数字は技術的にはエネルギー密度を表しており（物質とエネルギーはアインシュタインの有名な方程式を使って変換できるため）、可視物質、暗黒物質、そして宇宙の膨張を推進する未知の暗黒エネルギーが含まれます。WMAP とその後継機であるプランク衛星は、この基準によれば宇宙は可視物質が約 5 パーセント、暗黒物質が 27 パーセント、暗黒エネルギーが 68 パーセントであると推定しました。

このようにして、宇宙学者は、1798 年にキャベンディッシュが行ったように、対象の体積と密度の推定値を組み合わせて、宇宙全体の質量を 100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 キログラム程度と推定できます。これは、およそ 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 頭のシロナガスクジラ、または 1,000 億個の天の川銀河に相当しますが、実際に数えている人は誰もいません。