「宇宙は何度ですか？」と聞かれると、「マイナス270℃くらい」と答えたくなるかもしれません。たしかに宇宙背景放射は約2.7K、摂氏ではおよそ−270℃に相当します。しかし、それだけで宇宙空間の温度を説明することはできません。
宇宙空間の温度に大きな違いがあるのは、「何の温度を測っているのか」と「その場所で物質や放射がどのようにエネルギーを受け渡しているのか」が条件によって違うからです。同じ宇宙でも、太陽光を受ける人工衛星の表面、日陰の表面、希薄な太陽コロナ、低温の分子雲では、意味の異なる「温度」が使われています。
まず「宇宙そのものに一つの温度がある」と考えない
地上では、部屋の温度を測れば、その空間の状態をかなり直感的に表せます。空気の分子が頻繁に衝突し、壁や物体とも熱を交換するため、しばらく待てば近い温度へ落ち着きやすいからです。
ところが宇宙空間は非常に希薄です。場所によっては粒子同士の衝突がほとんど起こらず、周囲の物体と気体が同じ温度になるとは限りません。さらに、太陽光のような放射による加熱と、赤外線として宇宙へ熱を放出する冷却が重要になります。
そのため宇宙では、「周囲の気体の温度」「物体の表面温度」「放射の温度」を分けて考える必要があります。
宇宙背景放射の約2.7Kは「宇宙のすべてが2.7K」という意味ではない
宇宙全体には、ビッグバンの名残である宇宙マイクロ波背景放射が広がっています。そのスペクトルは約2.7Kの黒体放射に非常によく一致します。
この値は、宇宙のあらゆる物体やガスが2.7Kになっているという意味ではありません。あくまで宇宙背景放射という電磁波の放射温度です。
実際には、恒星、惑星、星間ガス、プラズマ、宇宙塵などは、それぞれ別の加熱・冷却過程によってまったく異なる温度を持ちます。国立天文台が紹介するブーメラン星雲のように、膨張冷却によって宇宙背景放射の温度より低い領域が観測された例さえあります。
人工衛星の温度は日向と日陰で大きく変わる
地球周辺の宇宙空間では、太陽光を直接受けるかどうかが人工衛星や宇宙船の表面温度を大きく左右します。
JAXAは、地球周辺の軌道を飛ぶ物体の表面温度の目安として、日陰ではおよそ−150℃、日向ではおよそ+120℃まで変化し得ると説明しています。ただし実際の温度は、表面材質が太陽光をどの程度吸収し、赤外線としてどの程度熱を放出するかによって変わります。
宇宙空間には空気がほとんどないため、地上のように空気の対流が物体を冷やしてくれません。物体は主に太陽や惑星から放射を受け取り、自分自身も赤外線を宇宙へ放射することで熱収支を調整します。
つまり、同じ軌道上でも太陽を向いた面と影になった面では温度が大きく異なり得ます。ESAも、宇宙機は日向側と日陰側が同時に高温・低温になり得るため、断熱材やラジエータ、ヒーターを組み合わせて温度を管理すると説明しています。
「真空だから冷たい」とは限らない
真空を「冷たいもの」と考えるのも誤解を招きます。真空そのものが物体から熱を強く奪うわけではありません。
地上では、熱い物体は周囲の空気へ熱を伝え、対流によって冷えます。しかし真空中では空気による対流がありません。そのため、太陽光を強く受け続ければ物体はむしろ高温になることがあります。
一方、太陽光から遮られ、内部発熱も少ない物体は、赤外線を宇宙へ放射し続けることで冷えていきます。
「宇宙空間が冷たい」というより、「熱を運ぶ空気がなく、放射による加熱と冷却が支配的」という方が正確です。
太陽に近いほど必ず同じ温度になるわけではない
一般には太陽へ近づくほど、単位面積あたりに受ける太陽光は強くなります。そのため、同じ性質・同じ向きの物体なら、太陽に近いほど高温になりやすくなります。
ESAのSolar Orbiterは、地球よりはるかに太陽へ近づくため、太陽光の強度が地球付近より大幅に増える環境へ耐える必要があります。しかし宇宙船全体が同じ高温になるわけではありません。太陽側に熱シールドを置き、その陰にある機器を低温に保つ設計が使われています。
この例からも、物体の温度は「太陽からの距離」だけでは決まらず、向き、反射率、放射率、形、熱伝導、内部発熱などの条件で変わることがわかります。
太陽コロナは100万℃でも、そこに物を置けばすぐ溶けるわけではない
宇宙の温度で特に不思議なのが、太陽の外側に広がるコロナです。太陽表面の光球は約6000℃ですが、その上空のコロナは100万℃を超える高温プラズマになります。
国立天文台は、コロナには100万℃程度の領域だけでなく、200万℃を超える領域や、フレア時に1000万℃以上になるプラズマも存在すると説明しています。
では、100万℃のコロナに探査機を置けば瞬時に溶けるのでしょうか。ここでは「温度」と「受け取る熱量」を分ける必要があります。
プラズマの温度が高いということは、粒子一個あたりの平均運動エネルギーが大きいことを意味します。しかしコロナは非常に希薄なので、物体へ衝突する粒子の総数は少なく、地上の100万℃の高密度ガスのように大量の熱を一気に渡すわけではありません。
そのため宇宙機の熱環境では、粒子温度だけでなく、粒子密度や太陽放射の強さを同時に考える必要があります。
希薄なプラズマでは「高温」と「熱い」が直感どおり一致しない
私たちの日常では、高温の空気に触れれば熱いと感じます。そのため「100万℃」という数値を見ると、猛烈な熱量を想像します。
しかし温度は、物質に含まれる総エネルギー量そのものではありません。同じ温度でも、粒子が少なければ単位体積あたりの熱エネルギーは小さくなります。
宇宙プラズマでは密度が非常に低いことが多いため、温度だけを見て「どれだけ物体を加熱できるか」を判断することはできません。粒子密度、粒子の種類、流速、放射などを合わせて考える必要があります。
星間空間でも温度は一様ではない
恒星と恒星の間にある星間空間も、同じ温度ではありません。
星間物質には、非常に高温で希薄な電離ガス、比較的温かい中性ガス、低温の原子ガス、さらに星が生まれる低温・高密度の分子雲など、複数の状態があります。
この違いは、紫外線やX線による加熱、超新星爆発の衝撃波、原子・分子の放射冷却、ガスの圧縮や膨張などによって生じます。
同じ銀河の中でも、超新星残骸の高温プラズマと、星形成前の冷たい分子雲では温度が何桁も違うことがあります。「星と星の間だから全部ほぼ−270℃」というわけではありません。
分子雲はなぜ低温になれるのか
星が生まれる分子雲の内部は、数十K以下の低温になることがあります。そこでは宇宙塵や分子が放射を通じてエネルギーを失い、外部の紫外線も雲の内部まで届きにくくなります。
温度が低いとガス粒子の熱運動が弱まり、重力による収縮に対抗する圧力も小さくなります。そのため低温は、星形成を進める重要な条件の一つです。
ただし、同じ分子雲の中でも、新しい恒星が生まれれば周囲は加熱されます。温度は空間的にも時間的にも変化します。
惑星表面の温度は大気の有無でも大きく違う
天体表面の温度を比べるときは、太陽からの距離だけでなく大気も重要です。
大気は太陽光や赤外線を吸収・放射し、昼夜の温度差を小さくしたり、温室効果によって平均温度を高めたりします。
大気がほとんどない月では、昼と夜で表面温度が大きく変化します。一方、大気を持つ惑星では、熱が大気の流れによって運ばれ、表面温度の分布が変わります。
そのため「太陽から同じ距離なら同じ温度」ということもありません。反射率、地表の性質、自転周期、大気組成、雲など多くの条件が関係します。
宇宙機では「温度」ではなく熱収支を設計する
人工衛星や探査機を作る技術者は、「宇宙は何℃だから、この材料を使う」という単純な設計はしません。
太陽光をどの面が受けるか、惑星からの赤外線や反射光をどれだけ受けるか、機器が内部でどれだけ発熱するか、どの面から赤外線として熱を捨てるかを計算します。
NASAは、宇宙機の熱制御に多層断熱材、反射面、ラジエータ、ヒーターなどを組み合わせると説明しています。James Webb宇宙望遠鏡では大きなサンシールドによって太陽・地球・月からの熱を遮り、望遠鏡側を極低温に保っています。
つまり宇宙機にとって重要なのは「周囲の温度」という一つの値より、入ってくる熱と出ていく熱の収支です。
「宇宙の温度」を比べるときは3つを確認する
宇宙の温度を比べるときは、三つの質問に分けると理解しやすくなります。
第一に、何の温度なのか。気体やプラズマの粒子温度なのか、物体の表面温度なのか、宇宙背景放射の放射温度なのかを確認します。
第二に、エネルギーを何から受け取っているか。太陽光、恒星光、衝撃波、磁場による加熱、内部発熱などが考えられます。
第三に、どのように冷えているか。赤外線放射、膨張、原子や分子の放射など、冷却の仕組みも場所によって違います。
この三つを分ければ、「宇宙背景放射は約2.7Kなのに太陽コロナは100万℃」「同じ人工衛星でも日向と日陰で温度が違う」といった一見矛盾する現象を整理できます。
まとめ
宇宙空間の温度に天体や条件による大きな違いがあるのは、「宇宙そのものに一つの温度がある」わけではないからです。
宇宙背景放射には約2.7Kという放射温度がありますが、それは宇宙中の物質がすべて約−270℃という意味ではありません。人工衛星の表面温度は日向と日陰で大きく変わり、太陽コロナの希薄なプラズマは100万℃以上になることがあります。星間空間にも、高温プラズマから低温の分子雲まで多様な状態があります。
宇宙では空気による対流がほぼないため、物体の温度は主に放射による加熱と冷却、表面の性質、内部発熱で決まります。また希薄なプラズマでは、温度が高くても粒子数が少ないため、物体へ渡せる熱量は温度だけでは判断できません。
「宇宙は何℃か」と一つの数字を探すのではなく、何の温度を測っているのか、どこからエネルギーを受け、どう失っているのかを見ることが、宇宙の温度を理解する鍵なのです。
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主な参考資料
- JAXA 有人宇宙技術部門「宇宙では、どの位温度が高温になったり低温になったりするのですか」
- 国立天文台「太陽コロナのスペクトル」
- NASA Science「Chapter 11: Onboard Systems」
- ESA「Hera asteroid mission vs. absolutely nothing」
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