Consider the spot where you’re sitting. Travel backwards in time and it might’ve been submerged at the bottom of a shallow sea, buried under miles of rock, or floating through a molten, infernal landscape. But go back far enough— about 4.6 billion years, and you’d be in the middle of an enormous cloud of dust and gas orbiting a newborn star. This is the setting for some of the biggest, smallest mysteries of physics: the mysteries of cosmic dust bunnies.
あなたが座っている場所について 考えてみましょう 時間を巻き戻してみると そこは浅海の底に 沈んでいたのかもしれませんし 何キロもの厚さの岩石の下に 埋もれていたか それとも 熱でドロドロ溶けた地獄のような 風景の中を漂っていたのかもしれません しかし 約46億年ほど前にまで遡ると あなたは 新たに生まれた星の周りを周回する ― 塵とガスからなる巨大な雲の まっただ中にいることでしょう これは最も大きく 小さくもある 物理学のミステリーです 宇宙塵でできた「綿ぼこり」の謎です
Seemingly empty regions of space between stars actually contain clouds of gas and dust, usually blown there by supernovas. When a dense cloud reaches a certain threshold called the Jeans mass, it collapses in on itself. The shrinking cloud rotates faster and faster, and heats up, eventually becoming hot enough to burn hydrogen in its core. At this point a star is born. As fusion begins in the new star, it sends out jets of gas that blow off the top and bottom of the cloud, leaving behind an orbiting ring of gas and dust called a protoplanetary disk. This is a surprisingly windy place; eddies of gas carry particles apart, and send them smashing into each other. The dust consists of tiny metal fragments, bits of rock, and, further out, ices.
星と星の間の 一見何もないような空間には 実は たいていの場合 超新星によって吹き飛ばされた ガスや塵の雲が含まれています 密度の濃い雲がジーンズ質量という 一定のしきい値に達すると 自ら崩壊します 雲が縮んでいくと どんどん速く回転し 温度が上昇してゆき ついには その核にある水素が 燃焼するほどに熱くなります この時点で星が生まれます 新しい星で核融合が始まると 雲の上下にガスを噴出し ガスと原始惑星系円盤からなる 周回するリングを後に残します ここでは驚異的に強い風が 吹いています ガスの渦巻が粒子を四散させ そして粒子同士を衝突させます 塵は小さな金属の破片 岩石の粒と 奇妙なことに氷で作られています
We’ve observed thousands of these disks in the sky, at various stages of development as dust clumps together into larger and larger masses.
私たちはこれらの円盤を 何千個も夜空に観測してきました それらは塵が どんどん大きな塊になっていく ― さまざまな発達の段階にあります
Dust grains 100 times smaller than the width of a human hair stick to each other through what’s called the van der Waals force. That’s where a cloud of electrons shifts to one side of a molecule, creating a negative charge on one end, and a positive charge on the other. Opposites attract, but van der Waals can only hold tiny things together.
塵の粒は人間の髪の太さの 100分の1で ファンデルワールス力によって 互いに付着します この時 電子雲が 分子の一方の側に移動し 片側は負に帯電し 反対側では正に帯電します 異種の電荷同士は引合いますが
And there’s a problem: once dust clusters grow to a certain size, the windy atmosphere of a disk should constantly break them up as they crash into each other. The question of how they continue to grow is the first mystery of dust bunnies.
ファンデルワールス力は 微小なものの結合だけを可能にします ここで問題に突き当たります 一旦 塵の塊がある大きさになると 風が強い円盤の環境によって 塵の塊同士が衝突するときに 塊が壊れるはずです
One theory looks to electrostatic charge to answer this. Energetic gamma rays, x-rays, and UV photons knock electrons off of gas atoms within the disk, creating positive ions and negative electrons. Electrons run into and stick to dust, making it negatively charged. Now, when the wind pushes clusters together, like repels like and slows them down as they collide. With gentle collisions they won’t fragment, but if the repulsion is too strong, they’ll never grow. One theory suggests that high energy particles can knock more electrons off of some dust clumps, leaving them positively charged. Opposites again attract, and clusters grow rapidly.
なぜ大きくなり続けるかは 「綿ぼこり」の最初の謎です これに答えるために ある理論は静電気に注目します 強力なガンマ線やX線 そして紫外線の光子が 円盤の中の気体の原子から 電子を弾き出し 陽イオンと 負の電荷をもった電子を 作り出します 電子は塵に衝突して付着し 塵を負に帯電させます そして風が塊を押し出すと 同種の電荷同士は反発し 衝突の際に減速します 穏やかな衝突では バラバラになりませんが 反発が強すぎると 大きくはなりません ある理論では 高エネルギーの粒子は 塵の塊からより多くの電子を 弾き出すことができ 塵の塊は正に帯電します
But before long we reach another set of mysteries. We know from evidence found in meteorites that these fluffy dust bunnies eventually get heated, melted and then cooled into solid pellets called chondrules. And we have no idea how or why that happens. Furthermore, once those pellets do form, how do they stick together? The electrostatic forces from before are too weak, and small rocks can’t be held together by gravity either. Gravity increases proportionally to the mass of the objects involved. That’s why you could effortlessly escape an asteroid the size of a small mountain using just the force generated by your legs. So if not gravity, then what? Perhaps it’s dust. A fluffy dust rim collected around the outside of the pellets could act like Velcro. There’s evidence for this in meteors, where we find many chondrules surrounded by a thin rim of very fine material– possibly condensed dust.
異種の電荷同士はまた引合い 塊は急速に大きくなります ですが やがてまた 新たな謎が現れます 隕石にみられる証拠から これらのフワフワな「綿ぼこり」が やがて熱されて 溶け その後に冷やされて コンドルール(球粒) という固体の小粒になることが知られています それがどのようにして なぜ起きるのかは不明なのです その上 それらの小粒ができたら どう互いに付くのでしょうか 以前からあった静電気力では 弱すぎますし 小さい岩石は 重力による結合も無理です 重力は関わる物体の質量に 比例して大きくなります そのため小さな山ほどの サイズの小惑星でも あなたは足の力のみで難なく 脱出することができるのです では重力でないなら 何でしょうか おそらく塵です 小粒の外側に集まった フワフワした塵の縁が マジックテープのように 作用するのかもしれません これに関する証拠が隕石にあり そこでは多くのコンドルールが 縁を非常に細かい物質 ― おそらくは 凝集した塵で 覆われています
Eventually the chondrule pellets get cemented together inside larger rocks, which at about 1 kilometer across are finally large enough to hold themselves together through gravity. They continue to collide and grow into larger and larger bodies, including the planets we know today.
ついにはコンドルールの小粒が より大きい岩石の中で接合して その幅が1キロ程になると やっと重力により形を 保てるようになります 衝突と合体は続き どんどん大きい物体になります 私たちが現在知っている 惑星もそういう物体です
Ultimately, the seeds of everything familiar– the size of our planet, its position within the solar system, and its elemental composition– were determined by an uncountably large series of random collisions. Change the dust cloud just a bit, and perhaps the conditions wouldn’t have been right for the formation of life on our planet.
最終的に 私たちの知る天体の初期の状態 ― 惑星の大きさや 太陽系での位置 そして元素の成分は とてつもなく多くの 偶然の衝突で決まったのです 塵の雲が少し変わるだけで 地球で生命が誕生するための条件が 整わなかったかもしれません