太陽系や銀河系はなぜ回転してるのか?(角運動量はどこから来たのか?)

太陽系や銀河系はなぜ回転してるのか?(角運動量はどこから来たのか?) 夏休み子ども科学相談に端を発した疑問
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学食のカレー @i51re

「宇宙の始まりはガスしか無かったけどだんだん渦を巻いて星になると説明していました。それが丸い星になる理由を教えてください。」 #夏休み子ども科学電話相談

2017-07-24 08:17:31
学食のカレー @i51re

「宇宙っていろんな方向からガスが集まってくるんです。えこひいきなく集まってくるとどういう形になる?」 「まる」 #夏休み子ども科学電話相談

2017-07-24 08:19:04
学食のカレー @i51re

「ガスの星って、だんだん星の中心がギュギュッと押されていくと、そこに核融合反応っていうのが起きてるのね。そこで水素とかヘリウムも作ってくれるんだけど最後には重たい鉄まで作ってくれるんですよ。」 #夏休み子ども科学電話相談

2017-07-24 08:20:55
学食のカレー @i51re

「どうして地球はまわるのに太陽はまわらないんですか?お父さんがそう言ってた。」 #夏休み子ども科学電話相談

2017-07-25 08:18:40
学食のカレー @i51re

「実はねぇ、おじさん太陽を観察してるんだけど、黒点の位置がだんだん変わって、太陽も地球みたいにまわって、自転してるっておじさん気付いちゃった。」 #夏休み子ども科学電話相談

2017-07-25 08:19:26
学食のカレー @i51re

「コマみたいにくるくるって自分で回ることを自転て言うんです。太陽も1ヶ月弱でぐるぅーっと自転してるんです。天の川銀河もグルグルまわってるんです。」 #夏休み子ども科学電話相談

2017-07-25 08:20:13
学食のカレー @i51re

「自分で光ってるのを太陽みたいな恒星っていうのね。地球みたいなのが惑星。」 #夏休み子ども科学電話相談

2017-07-25 08:21:26
学食のカレー @i51re

「何となくグルグルっと集まったときに回り始めちゃうんだよね!サッカーしたことある?ボールの端を蹴るとボールはくるくるって回っちゃうよね。それとおんなじことがガスが集まったときに起こってる。地球は出来始めたときに回り始めていたんだね。」 #夏休み子ども科学電話相談

2017-07-25 08:22:25
nagashima m. @_nagashimam

学生からじゃなくて、同僚とかからよく聞かれるのがこれ。なんで地球(天体)って回っているの、ってやつ。天体形成と角運動量保存則の話をするのも大変なので(時間があればする)、たいてい「回ってるのが普通で、回ってないのが特殊なんです、回らないことに理由がいる」ってかわしちゃう

2017-07-25 12:31:26
MasashiImoto【くじら】などか @iMadagascal

上から見たら左巻き。下から見たら時計回り。(北半球の量子宇宙論) twitter.com/_nagashimam/st…

2017-07-25 12:34:24
nagashima m. @_nagashimam

そうそう、4D2Uのムービーなんかで銀河が「横から見るとひらべったく、上から見ると渦を巻いている」なんてのを学生に見せるときも、どうしても「まあ上とか横とか人間が勝手にそう言ってるだけなんですけれども」って言いたくなる(半分くらい言っちゃう)

2017-07-25 12:36:11
UFO教授 (藤木文彦 Fumihiko Fujiki) @UFOprofessor

@_nagashimam @mo0210 それいい方法かも知れませんね。コマみたいに回ってないと倒れてしまう。回っている方が安定できるんだと。(でももっと新しい疑問が湧いてきそうだが)

2017-07-26 01:01:10
nagashima m. @_nagashimam

@UFOprofessor @mo0210 天体がまわっている理由の本質は、形成時にガスが自己重力で収縮する際に角運動量が保存するからなので(スピンアップする)、コマが安定するというのとはちょっと違うんですよね。角運動量保存則の説明では有効なので、密接に関連はしているのですが

2017-07-26 09:26:26
墓所の陰にて @kafukanoochan

@_nagashimam @UFOprofessor @mo0210 形成時のガスに角運動量が全くないなんて、ありえませんが もし、全くないと、すべて中心星に落ち込んじゃう=中心星が非常に重くなって 短命になるため観測にかからない ガスに角運動量がほとんどないと中心星のごく近くに集まり、林フェーズの時、吹っ飛んじゃう

2017-07-26 21:17:00
nagashima m. @_nagashimam

@kafukanoochan @mo0210 @UFOprofessor 議論が進んでしまっていてついていっていませんが^^;; 、とりあえず。ガスの場合はガス圧が効きますので、角運動量が仮に0でもどこかで収縮は止まります

2017-07-27 08:48:04
UFO教授 (藤木文彦 Fumihiko Fujiki) @UFOprofessor

@kafukanoochan @_nagashimam @mo0210 むしろ、なぜ局所的に大域的に見ると(?)(太陽系レベルの範囲をイメージ)ガスが、ランダムに運動していなくて、総合的に見て書く運動量を持っていたのか?ってことが不思議なのですが。何世代目かの星の生まれる頃って、星間ガスも一定方向に移動しているもの通しがぶつかったりしてるのかな?

2017-07-26 21:30:48
墓所の陰にて @kafukanoochan

@UFOprofessor @_nagashimam @mo0210 なるほど、宇宙全体では角運動量は0だから 形成時のガスが角運動量をほとんど持っていないケースも、かなりありそうに 思えます(特に宇宙で銀河が形成される頃) それで思いついたのですが(話がそれてすいません) ナガシマ先生、この前言ってた孤独なBH、このケースでは?

2017-07-26 21:53:18
UFO教授 (藤木文彦 Fumihiko Fujiki) @UFOprofessor

@kafukanoochan @_nagashimam @mo0210 おそらく、最初期の宇宙ではそうだったけれど、その後世代を重ねるにしたがって、噴出物のストームとか、次第に、揺らぎが拡大されていったんでしょうね(単なる想像)

2017-07-26 21:56:30
墓所の陰にて @kafukanoochan

@UFOprofessor @_nagashimam @mo0210 僕もそうだと思います。 時間がたつにつれて、 宇宙の角運動量の分布が、小さい部分は、孤独なBHが持ち、 大きい部分は、星や星間ガスが持つようになった。

2017-07-26 22:11:09
nagashima m. @_nagashimam

@kafukanoochan @mo0210 @UFOprofessor 孤独なBHは、もともと単体の大質量星だったか、BH形成あるいは伴星の進化の過程で大規模な質量放出が起き、引力が弱まる(重力ポテンシャルが浅くなる)ことで連星がバラけてしまったかで基本的には説明できます

2017-07-27 13:55:57
彫木⛅環🧷✂️✏️(安倍首相、お疲れ様でした) @CordwainersCat

@UFOprofessor @kafukanoochan @_nagashimam @mo0210 横ですが、角運動量ですから総体として一定方向に移動して無くて良いんですよ。二つの天体が衝突して一つにくっ付いてしまった時の事を考えてみれば分かると思います。互いの重心に向かって真っ直ぐ正面衝突をした場合は角運動量が生まれませんが、僅かでも互い違いにずれてるとそこに角運動量が。

2017-07-26 22:05:58
墓所の陰にて @kafukanoochan

@CordwainersCat @UFOprofessor @_nagashimam @mo0210 それは、わかります。 角運動量の分布が±に広がりますね

2017-07-26 22:16:05
墓所の陰にて @kafukanoochan

@CordwainersCat @UFOprofessor @_nagashimam @mo0210 それだと角運動量の分布がガウス分布に近くなるように思います (確率計算は苦手なので、自信はありません) もし、ガウス分布に近いなら、角運動量=0付近がかなり多いです 実際には、角運動量が普通の大きさの星系が多く 角運動量がずっと小さい星系がほとんどない のは僕の説明で良いのでは?

2017-07-26 22:40:23
nagashima m. @_nagashimam

@UFOprofessor @kafukanoochan @mo0210 星形成の場合は、ざっくり言うと、1pc(パーセク=3.26光年)ぐらいに拡がった分子雲が収縮して星をつくります。半径にしておよそ7桁の収縮。角運動量保存で7桁収縮すると回転速度は7桁上がりますが、⇒

2017-07-27 08:50:23
nagashima m. @_nagashimam

@UFOprofessor @kafukanoochan @mo0210 ⇒角運動量の起源は周囲にランダムに配置された星からの力で、最初は回転しているわけではないのですが、収縮により速度が上がり、ガスの摩擦等で回転方向がならされていきます。で遠心力で収縮がとまります⇒

2017-07-27 08:51:32
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コメント

nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
自己重力により数桁収縮する(星の場合)のがポイントで、収縮前にほんのわずかでも動径方向ではない運動(中心からずれた方向への運動)があると、角運動量保存則によりその運動が拡大されます。収縮前は「回転運動」とはとても言えないランダムな動きが、収縮により向きも揃いながら回転運動となっていきます
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
星の場合は遠心力が効きだして一旦円盤を作り、円盤内で角運動量を外側のガスに輸送しながら(内側の方が回転速度が速いため、内側のガスが外側のガスを「引っ張り」、内側は角運動量が減少し外側は角運動量を獲得する)、中心の原始星へガスが降っていきます
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
この過程で、星になるガスは当初の角運動量が大幅に抜け(それでもゼロには普通ならない)、やがて惑星を作る母体となる円盤に角運動量が残ります。惑星形成の円盤仮説により、いわゆる太陽系の角運動量問題も同時に解決されます
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
太陽系の角運動量問題というのは、太陽系の質量の大半は太陽にあるのに、角運動量は大半が惑星にあるという不均衡のことです
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
銀河の場合は、物理プロセスとしては似ているのですが、スケールが違うこと、ダークマターが重要になることが違います。宇宙初期(おそらくインフレーション時)に仕込まれた密度の揺らぎを種として、自己重力により揺らぎが成長していきます
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
この過程で、揺らぎによってランダムに速度場が発生します。揺らぎが成長する、つまり収縮するにつれて、この速度場が角運動量保存則により大きくなり、収縮して形成される天体がゼロでない角運動量を持つようになります
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
しかし、最初はダークマターが収縮するだけで、せいぜい半分程度にしか収縮できません。ダークマターはエネルギーを散逸しない(熱くなって輻射を出すようなことはしない)ので、ブヨブヨとしたままです。そのため全力学的エネルギーのうち回転によるものはごくわずかです(統計的には)
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
ダークマターにつられて収縮してきたガスは加熱され輻射を出しエネルギーを失います。そのためさらに収縮します。平均的には、ダークマター天体(ダークハローとかダークマターハローと呼ばれます)の1/10ぐらい収縮すると、角運動量保存による回転速度の上昇で遠心力が効き、収縮はストップします
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
回転軸方向は遠心力が効きませんから収縮を続け、円盤になります。このガス円盤の内部で星が形成され、円盤銀河を作ります。以上が渦巻銀河の回転の起源です
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nagashima m. @_nagashimam 2017年7月28日
というわけで、後半にある @CordwainersCat さんの考察で基本的にOKです。
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彫木🌧環🧷✂️✏️(安倍首相、お疲れ様でした) @CordwainersCat 2017年7月28日
まとめを更新しました。@_nagashimam.さんのコメントを不完全ですが、本文に取り込みました。@tataryさんとの会話を追加しました。
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彫木🌧環🧷✂️✏️(安倍首相、お疲れ様でした) @CordwainersCat 2017年7月29日
まとめを更新しました。kuma-cha( @SfumatoAMR )さんのコメントを本文に追加しました。
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