高校地学 太陽系小天体—軌道と物質の資料から彗星と小惑星を比較する｜武蔵野個別指導塾

尾の向きと運動方向の違いを図で読み、小天体に関わる流星体・流星・隕石の区別までたどります。

よくあるのは、高校生が彗星の尾を常に進行方向の後ろへ描く場面です。近づくときにその描き方が合っていても、太陽から遠ざかる側まで同じ向きにすると、尾の原因を見失います。核の位置、太陽からの方向、運動方向を別々の矢印で表し、観測できる姿から何が言えるかを考えます。

資料から問われること

第一の型は因果の説明です。氷などを含む彗星の核が太陽に近づくと、温められてガスやちりを放出し、核の周囲にコマができます。さらに太陽の光や太陽風の作用で尾が伸びます。何が温められ、何が放出され、どちらへ押し出されるかを順に結びます。尾が目立つかどうかは、太陽からの距離だけでなく、核の性質や観測条件にも左右されます。

第二の型は比較です。彗星と小惑星を材料や活動の傾向で比べます。ただし、見かけや名前だけから一個一個の内部を完全に断定することはできません。活動が弱い彗星と小惑星の区別が難しい場合もあるため、軌道と物質、活動の有無を合わせて読みます。

第三の型は資料読解です。地球に入る小さな物体と、空に見える発光現象、地表まで残った物質には別の名前があります。観測された時点を確かめて用語を選び、尾の方向と同じように、物体そのものとそこで起きる現象を混ぜないことが出発点です。

核から尾へ、物体から現象へ

彗星の核は氷やちりなどを含む小天体です。太陽に近づいて核が温まると、氷などの揮発しやすい物質が気体となって出て、ちりも放出されます。核を取り囲むガスとちりの広がりがコマです。核そのものがコマ全体に膨張するわけではありません。太陽から十分遠く、活動が弱いときには、目立つコマや尾が見えないこともあります。

図1のように、尾を描く基準はまず太陽から核へ向かう方向です。図は模式図であり、天体や尾の大きさ、距離の縮尺は実際の比ではありません。イオンの尾は太陽風の影響を強く受け、おおむね太陽と反対側を向きます。ちりの尾も太陽光の圧力を受けますが、放出時の運動や粒の性質によって曲がり、厳密な直線とは限りません。

図1の太陽と核の位置を結んだ線を延長すれば、おおよそのイオンの尾の向きを判断できます。運動の矢印は軌道に沿って描きます。この2種類の矢印は原因が違います。太陽へ近づく間は尾が進行方向の後ろ側に見えやすく、遠ざかる間は進行方向側に伸びることもあります。尾の先端が核の通過した軌跡をそのまま記録していると考えるのは誤りです。

小惑星は主に岩石や金属などからなる小天体として説明されます。多くは火星と木星の間の領域にありますが、軌道はさまざまです。彗星にもさまざまな軌道があり、細長い軌道だけを彗星の定義にすることはできません。小惑星にも水を含む鉱物などがあり得るため、「小惑星には水に関係する物質が一切ない」と決めるのも適切ではありません。分類は典型的な傾向を足場にしつつ、個々の観測で確かめます。

宇宙空間を動く小さな物体は流星体と呼ばれます。それが地球の大気に高速で入り、周囲の気体や物体自身が高温になって光る現象が流星です。物体の残りが地表に達したものは隕石です。流星は光の現象であり、隕石は手に取れる物質という違いがあります。流星体のすべてが地表に達するわけではなく、隕石になったものも元の物体全体が残ったとは限りません。

軌道の図を読む手順

軌道の線は天体が動く道筋を示し、ある時刻の尾の線とは意味が違います。軌道上に複数の位置が示された図では、位置ごとに太陽との方向を引き直します。軌道が曲がっていれば、運動の向きはその位置で軌道に接する向きとして読みます。図に矢印や時刻の順がなければ、線の形だけからどちら向きに進むかは決まりません。

太陽に近い位置で明るく見えることは、温められて活動が強まる説明と整合します。それでも、画像の明るさは地球からの距離や撮影条件にも影響されるため、核が大きくなったと直接結論することはできません。同じ尺度に整えた複数の画像で、コマの広がりと背景の星を比較します。観測結果と、その結果を生んだ原因の候補を分けると、資料から言い過ぎる誤りを防げます。

例題1　近づくときと遠ざかるとき

自作の模式図で、太陽を中央に置きます。彗星Aは太陽の左側にあり、右向きに太陽へ近づいています。彗星Bは太陽の右側にあり、右向きに太陽から遠ざかっています。両方でイオンの尾を太陽と反対向きの直線と近似します。AとBの尾を左右で答え、それぞれ運動方向との関係を説明してください。

図2のように位置と運動を別に読んでから、太陽から核へ向かう方向を延長します。図は縮尺を表していません。

Aでは、太陽から核への向きは左です。 したがってAの尾は左向きです。 Aの運動は右向きなので、尾は運動方向の後ろです。 Bでは、太陽から核への向きは右です。 したがってBの尾は右向きです。 Bの運動も右向きなので、尾は運動方向側です。

答えを図2の配置へ戻すと、Aの尾もBの尾も太陽から離れる向きです。運動方向だけを見て両方を左にすると、Bの尾は太陽を向いてしまいます。別解として、核から太陽への矢印を先に描き、その逆向きを尾にしても同じ結果になります。ちりの尾の曲がりはこの直線近似には含めていません。

例題2　物質と光を分ける

自作の観察記録に、P「宇宙空間を進む小粒」、Q「大気中に現れた光の筋」、R「地表で回収した固体」とあります。それぞれを流星体、流星、隕石から選び、物体か現象かを添えて答えてください。P、Q、Rが同じ物体に由来すると仮定して順序も示します。

Pは大気に入る前の小さな物体です。 したがってPは流星体で、物体です。 Qは大気中で見られる発光です。 したがってQは流星で、現象です。 Rは地表まで残った固体です。 したがってRは隕石で、物質です。 同じ物体に由来する場合の順序はP、Q、Rです。

逆にRからたどると、地表の固体になる前に大気を通り、さらにその前は宇宙空間にあったという条件に戻れます。ただし現実の観測では、光の筋を見ただけで地表に物質が残ったと決めることはできません。回収物を見つけた場合も、その筋との対応には別の証拠が必要です。

例題3　活動の判定と観測計画

自作資料では、小天体Xに太陽へ近づく時期の広がったコマが記録され、小天体Yには点状の像だけが記録されました。両者の軌道はともに太陽の周りを回ります。Xに支持される性質と、Yについてこの資料だけでは決められないことを答えてください。さらにYの活動を調べるため、追加で比べる画像と、判定が難しくなる条件を1つずつ挙げてください。

Xには核の周囲に広がる物質があります。 太陽への接近とコマの組合せは、ガスやちりを放出する彗星的な活動を支持します。 Yの点状の像は、撮影時に広がりを検出できなかったことを示します。 しかし、それだけではYに揮発しやすい物質がないとは決められません。 別の時期の画像を、背景の星の像と比べます。 画像のぼけや背景の明るさが違うと、淡いコマを見落とす可能性があります。

結論を記録に戻すと、Xの広がりは説明でき、Yについては観測されなかった範囲を超えて断定していません。観測の設計では、なるべく似た条件で撮った画像を使い、星の像の広がりと対象の像を比較します。対象の位置を中心に明るさがどう減るかを同じ尺度のグラフで比べれば、見た目だけの比較を補えます。横軸は中心からの角距離、縦軸は背景を差し引いた明るさとし、両軸の単位と目盛りを明示します。

画像のぼけが大きければ点状の星も広がって見えます。背景の差し引きが不正確なら淡い広がりを作ったり消したりします。対象が画像上を動けば、撮影中の移動も像を伸ばします。したがって1枚の形だけを根拠にせず、複数の画像と背景の星を照合します。観測や実験を行う場合は学校の指導の下で行い、太陽の直接観察はせず配布画像を使います。

間違いの場所を矢印で探す

誤答は「彗星は右へ進むので、尾はいつも左」です。この説明は運動の向きを尾の原因にしているため、太陽の位置を使っていません。図3のように、太陽から遠ざかる右向きの運動では、左向きの尾は太陽側を指してしまいます。図は縮尺を表しません。

図3の赤い左向きの矢印は誤った尾、緑の右向きの矢印は直した尾です。核から太陽への向きを先に確認し、その反対へ尾を描けば直せます。運動の矢印は別に書き、尾と重なる場合も意味を区別します。実際の尾は種類によって曲がるので、直線は向きを読むための近似です。

別の誤答は「流星が地面に落ちると隕石になる」です。発光という現象自体が固体に変わるのではありません。流星を生じた物体の一部が残り、地表に達した場合に隕石と呼びます。答案では「光る現象」と「残った物質」を主語にして書き直すと、言葉の入れ替えを防げます。

練習問題

次の5問は自作の条件です。方向は紙面の上下左右で答え、説明問題では指定された語を使ってください。尾の方向はイオンの尾を太陽と反対向きの直線とする近似です。

1. 太陽の上に核があり、核は下向きに太陽へ近づいています。尾の向きと運動方向との関係を答えてください。
2. 太陽の下に核があり、核は下向きに太陽から遠ざかっています。尾の向きと運動方向との関係を答えてください。
3. 核、コマ、尾のうち、ガスやちりが核を取り囲む部分を選んでください。また「温まる」「放出」を使い、その部分ができる過程を説明してください。
4. 大気中の発光を見た後、地表に残る固体が見つからなかった場合を考えます。「流星」「隕石」を使い、観測できたことと、この記録から確認できなかったことを述べてください。
5. 小天体Zの画像に尾が見えません。「観測条件」「活動」を使い、尾が見えないことから内部の物質を断定できない理由を述べてください。

練習の答えとたどり方

1. 尾は上向きで、運動方向の後ろです。太陽から核へ向かうと上なので、尾も上へ伸ばします。核から太陽は下ですから、答えを配置へ戻しても尾は太陽と反対を向いています。

2. 尾は下向きで、運動方向側です。太陽から核へ向かう向きが下であり、核の運動も下です。尾を上に描くと太陽側へ向かうため、条件に合いません。

3. コマです。核が太陽に近づいて温まると、ガスやちりが放出され、核の周囲に広がってコマを作ります。核はその中心の小天体で、尾は周囲の物質が太陽と反対側へ伸びた部分です。選んだコマを問題の「取り囲む部分」に戻して確かめられます。

4. 流星という発光は観測できましたが、隕石が地表に残ったことはこの記録から確認できません。固体が見つからない原因は、残らなかったことのほか、残っていても回収できなかったことが考えられます。発光の観測を、固体の発見と同じ扱いにしないことが判断の鍵です。

5. 活動が弱いときや、淡い尾を検出しにくい観測条件では、尾が見えない場合があります。そのため画像に尾がないという記録だけから、内部に揮発しやすい物質がないとは断定できません。答えは「見えない」という観測結果に戻っても矛盾せず、未観測の物質の有無を決めていません。

手元に残す要点

• コマは核の周囲のガスやちりで、核そのものではありません。
• イオンの尾はおおむね太陽と反対側へ伸び、運動方向とは別に決まります。
• ちりの尾は粒の運動などの影響で曲がることがあります。
• 流星は発光現象、隕石は地表に達した物質です。
• 観測されないことと、存在しないことを区別します。

答案のつまずきを見分ける

尾の問題で迷ったら、まず太陽と核を線で結べるかを確かめます。その線の延長を尾にし、軌道に沿う運動の矢印を別に置くと、判断に使った方向が見えます。接近と離反の両方で描き直して同じ規則が使えるかも確認します。

個別指導では、答案の「流星が落ちる」という主語を取り上げ、発光と固体のどちらを指すか言葉で説明してもらいます。資料の問題なら、観測された事実に線を引き、そこから推測した内容に別の印を付けます。尾の形、物質、観測条件を分けて読むと、小天体の姿から言える範囲が見えてきます。