キヤノンサイエンスラボ 光って何?

彗星は、岩石質、金属質のチリ、揮発性物質が凍ったチリなどがまじってできたものです。いわば「汚れた雪玉」のようなものなのです。太陽から遠くにある時は、宇宙を転がる石のようですが、太陽に近づくと熱せられてガスが蒸発し、ダスト(チリ)や微粒子(電子やイオン)を放出します。これは「尾」となり、太陽の光の圧力「光圧」などの影響を受けて流れるのです。

詳しく見てみよう
彗星は2種類の尾を持つ

彗星の尾は、その光のスペクトルの違いから、2種類の尾が観測されます。ひとつは、ほうきの柄のようにまっすぐに伸びた「プラズマの尾」。もうひとつは、ほうきの先っぽのように広がった「ダストの尾」。プラズマの尾は、太陽の紫外線を受けて電離した電子やイオンでできています。ダストの尾は、大きさが数マイクロメートル(1マイクロメートル=1000分の1ミリ)以下のチリからできています。ダストの尾は、太陽の光の圧力「光圧」と、彗星の核の軌道運動の影響を受けて、広がりながらやや曲がって流れます。

光には圧力がある

光が物体にあたって吸収または反射されるとき、物体の表面におよぼす圧力を「光圧」といいます。これは「放射圧」ともいわれ、光子(フォトン)がモノにぶつかり反射されると、運動量が変化するために生じます。運動量の変化分が力として作用するのです(光には力学的作用もあるのですね)。光子は質量(重さ)はゼロですが、波としての性質もあるため運動量をもっているのです。その大きさは決して小さくなく、地球表面1m2あたりに作用する太陽光の光圧を計算すると、1gの物体を秒速7mmずつ加速できる力になります。地上では、空気などとの摩擦、重力があるため、実際にはあまり影響はないのですが、宇宙空間をただよう小さなチリには大きな影響があります。逆にこの力を利用して「光子ロケット」を作るというアイデアもあります。

宇宙のチリは太陽に引き込まれる

光圧と宇宙のチリの関係をもう少し見ていきましょう。宇宙では、地球軌道上にある直径が0.1マイクロメートルほどの小さな岩石のかけら(チリ)は、光圧によってうず巻き運動しながら太陽に近づき、約2000年かけて太陽内部に落ち込んでしまうことがわかっています(「ポインティング・ロバートソン効果」といいます)。チリは、光圧で遠くへ吹き飛ばされてもよいはずですが、なぜ太陽に近づくのでしょうか。それは、物体は動いているため、太陽の光から受ける光圧の方向と、実際の太陽の方向は違うためです。光圧で遠ざけられようとする太陽方向の分力に比べて、太陽の重力のほうが強く、じわじわと太陽に引き寄せられます。

光の見える方向は変化する

宇宙にある星から届く光の方向は、地球の運動(公転や自転)のために、違った方向からくるように見えることもわかっています。この現象を「光行差」といいます。この現象は、恒星の見える方向が季節によって違うことを研究して発見されました。星の位置は地球の運動で見かけの位置が変化しますが、その光自体は地球にまっすぐに進んできます。光行差が生じるのは、垂直に降る雨の中を走ると雨が前から降りかかってくるようになるのと同じ理由からです。この光行差の角度は、計算で算出できることもわかっています。