第20章星と星の間――宇宙のガスと塵Between the Stars: Gas and Dust in Space

In addition to gas and dust, a third class of particles, noteworthy for the high speeds with which they travel, is found in interstellar space. Cosmic rays were discovered in 1911 by an Austrian physicist, Victor Hess, who flew simple instruments aboard balloons and showed that high-speed particles arrive at Earth from space (Figure 20.17). The term “cosmic ray” is misleading, implying it might be like a ray of light, but we are stuck with the name. They are definitely particles and have nearly the same composition as ordinary interstellar gas. Their behavior, however, is radically different from the gas we have discussed so far.

星間空間には、ガスと塵に加え、第三の種類の粒子がある。移動速度が非常に大きいことが特徴である。宇宙線は1911年、オーストリアの物理学者ヴィクトル・ヘスによって発見された。ヘスは簡単な装置を気球に載せ、高速の粒子が宇宙から地球へ届くことを示した（図20.17）。「宇宙線」という名前は、光線のようなものと思わせる、紛らわしい表現だが、定着している。宇宙線は間違いなく粒子であり、組成は普通の星間ガスとほぼ同じである。しかし、その振る舞いは、ここまで扱ったガスとは根本的に違う。

Cosmic rays are mostly high-speed atomic nuclei and electrons. Speeds equal to 90% of the speed of light are typical. Almost 90% of the cosmic rays are hydrogen nuclei (protons) stripped of their accompanying electron. Helium and heavier nuclei constitute about 9% more. About 1% of cosmic rays have masses equal to the mass of the electron, and 10–20% of these carry positive charge rather than the negative charge that characterizes electrons. A positively charged particle with the mass of an electron is called a positron and is a form of antimatter (we discussed antimatter in The Sun: A Nuclear Powerhouse).

宇宙線の大部分は、高速の原子核と電子である。典型的な速さは、光速の90%に達する。ほぼ90%は、付随する電子を失った水素の原子核、すなわち陽子である。さらに約9%を、ヘリウムや、それより重い原子核が占める。宇宙線の約1%は、電子と同じ質量を持つ。そのうち10〜20%は、電子に特徴的な負の電荷ではなく、正の電荷を帯びている。電子と同じ質量で、正の電荷を持つ粒子を陽電子といい、反物質の一種である（反物質は「太陽――核エネルギーの源」で扱った）。

The abundances of various atomic nuclei in cosmic rays mirror the abundances in stars and interstellar gas, with one important exception. The light elements lithium, beryllium, and boron are far more abundant in cosmic rays than in the Sun and stars. These light elements are formed when high-speed, cosmic-ray nuclei of carbon, nitrogen, and oxygen collide with protons in interstellar space and break apart. (By the way, if you, like most readers, have not memorized all the elements and want to see how any of those we mention fit into the sequence of elements, you will find them all listed in Appendix K in order of the number of protons they contain.)

宇宙線に含まれる各種原子核の存在比は、星や星間ガスの存在比を反映しているが、一つ重要な例外がある。軽い元素のリチウム・ベリリウム・ホウ素は、太陽や星より、宇宙線にずっと豊富である。これらの軽い元素は、高速の宇宙線をなす炭素・窒素・酸素の原子核が、星間空間の陽子に衝突し、砕けるときにできる。ちなみに、ほとんどの読者と同じく、すべての元素を暗記していなくてもよい。ここに出てくる元素が、元素の並びのどこに位置するか知りたいなら、付録Kに、含まれる陽子の数の順で、すべて載っている。

Cosmic rays reach Earth in substantial numbers, and we can determine their properties either by capturing them directly or by observing the reactions that occur when they collide with atoms in our atmosphere. The total energy deposited by cosmic rays in Earth’s atmosphere is only about one-billionth the energy received from the Sun, but it is comparable to the energy received in the form of starlight. Some of the cosmic rays come to Earth from the surface of the Sun, but most come from outside the solar system.

地球には、かなりの数の宇宙線が到達する。その性質は、直接捕らえるか、大気中の原子と衝突するときに起こる反応を観測することで、調べられる。宇宙線が地球の大気に与える総エネルギーは、太陽から受け取るエネルギーの約10億分の1にすぎないが、星の光として受け取るエネルギーに匹敵する。地球へ届く宇宙線の一部は太陽の表面から来るが、大部分は太陽系の外から来る。

There is a serious problem in identifying the source of cosmic rays. Since light travels in straight lines, we can tell where it comes from simply by looking. Cosmic rays are charged particles, and their direction of motion can be changed by magnetic fields. The paths of cosmic rays are curved both by magnetic fields in interstellar space and by Earth’s own field. Calculations show that low-energy cosmic rays may spiral many times around Earth before entering the atmosphere where we can detect them. If an airplane circles an airport many times before landing, it is difficult for an observer to determine the direction from which it originated. So, too, after a cosmic ray circles Earth several times, it is impossible to know where its journey began.

宇宙線の発生源を突き止めるには、重大な問題がある。光は直進するので、見るだけで、どこから来たか分かる。宇宙線は電荷を持つ粒子であり、磁場によって運動の向きを変えられる。その経路は、星間空間の磁場と、地球自身の磁場の両方で曲がる。計算によると、低エネルギーの宇宙線は、検出できる大気中へ入る前に、地球の周りを何周も、らせん状に回ることがある。飛行機が着陸前に空港の周りを何周も回れば、観察者が、どの方向から来たかを突き止めるのは難しい。同じように、宇宙線が地球を何周か回った後では、その旅がどこから始まったか分からなくなる。

There are a few clues, however, about where cosmic rays might be generated. We know, for example, that magnetic fields in interstellar space are strong enough to keep all but the most energetic cosmic rays from escaping the Galaxy. It therefore seems likely that they are produced somewhere inside the Galaxy. The only likely exceptions are those with the very highest energy. Such cosmic rays move so rapidly that they are not significantly influenced by interstellar magnetic fields, and thus, they could escape our Galaxy. By analogy, they could escape other galaxies as well, so some of the highest-energy cosmic rays that we detect may have been created in some distant galaxy. Still, most cosmic rays must have their source inside the Milky Way Galaxy.

それでも、宇宙線が生まれる場所には、いくつか手がかりがある。例えば、星間空間の磁場は、最も高エネルギーの宇宙線を除くすべてを、銀河の外へ逃がさないほど強いと分かっている。したがって、宇宙線は銀河の内部のどこかで作られる可能性が高い。考えられる例外は、最高エネルギーの宇宙線だけである。このような宇宙線は非常に速く、星間磁場の大きな影響を受けないため、私たちの銀河から脱出できる。同じ理屈で、ほかの銀河からも脱出できるはずだ。したがって、検出される最高エネルギーの宇宙線の一部は、遠くの銀河で作られた可能性がある。それでも、大部分の宇宙線の発生源は、天の川銀河の内部にあるはずである。

We can also estimate how far typical cosmic rays travel before striking Earth. The light elements lithium, beryllium, and boron hold the key. Since these elements are formed when carbon, nitrogen, and oxygen strike interstellar protons, we can calculate how long, on average, cosmic rays must travel through space in order to experience enough collisions to account for the amount of lithium and the other light elements that they contain. It turns out that the required distance is about 30 times around the Galaxy. At speeds near the speed of light, it takes perhaps 3–10 million years for the average cosmic ray to travel this distance. This is only a small fraction of the age of the Galaxy or the universe, so cosmic rays must have been created fairly recently on a cosmic timescale.

典型的な宇宙線が、地球に達するまでに進む距離も推定できる。鍵を握るのは、軽い元素のリチウム・ベリリウム・ホウ素である。これらは、炭素・窒素・酸素が星間の陽子に衝突するときにできる。そのため、宇宙線に含まれるリチウムなどの量を説明できるだけの衝突を経験するには、平均して、どれほど長く宇宙空間を進まなければならないか、計算できる。必要な道のりは、銀河を約30周する距離に相当すると分かる。光速に近い速さでは、平均的な宇宙線がこの距離を進むのに、おそらく300万〜1000万年かかる。これは、銀河や宇宙の年齢のごく一部にすぎない。したがって、宇宙の時間尺度でいえば、宇宙線はかなり最近に作られたはずである。

The best candidates for a source of cosmic rays are the supernova explosions, which mark the violent deaths of some stars (and which we will discuss in The Death of Stars). The material ejected by the explosion produces a shock wave, which travels through the interstellar medium. Charged particles can become trapped, bouncing back and forth across the front of the shock wave many times. With each pass through the shock, the magnetic fields inside it accelerate the particles more and more. Eventually, they are traveling at close to the speed of light and can escape from the shock to become cosmic rays. Some collapsed stars (including star remnants left over from supernova explosions) may, under the right circumstances, also serve as accelerators of particles. In any case, we again find that the raw material of the Galaxy is enriched by the life cycle of stars. In the next section, we will look at this enrichment process in more detail.

宇宙線の発生源として最も有力なのは、一部の星の激しい最期を告げる超新星爆発である（「恒星の死」で扱う）。爆発で噴出した物質が、星間物質の中を進む衝撃波を作る。電荷を持つ粒子は、その中に捕らえられ、衝撃波の前面を何度も往復することがある。衝撃波を通過するたびに、内部の磁場が粒子をさらに加速する。やがて光速に近い速さになり、衝撃波から抜け出して、宇宙線となる。崩壊した星の一部も、条件が整えば、粒子の加速器として働く。超新星爆発が残した恒星の残骸も含まれる。いずれにせよ、銀河の原材料が、星の一生の循環によって豊かになることが、ここでも分かる。次の節で、この過程をさらに詳しく見ていこう。