宇宙はどこから始まるのでしょうか？

宇宙の端はどこにあるのでしょうか? 一見単純な質問に思えますが、答えは地球の大気圏よりも多くの層にあります。大気圏の終わりから宇宙が始まると考える人もいるでしょうし、それは正しいかもしれません。しかし、結局のところ、その地点がどこにあるかを正確に知る人は誰もいません。そして、科学者の大多数は、もっと身近なところに注目し、宇宙の端を大気圏の境界のかなり内側に置いています。

「宇宙の端」の最も広く受け入れられている定義は、地球の表面から 100 キロメートル (約 62 マイルですが、60 マイルに切り捨てられることが多い) です。この高度はカルマン ラインと呼ばれ、この高度では航空学が機能しないと判断したハンガリーの物理学者でエンジニアのセオドア フォン カルマンにちなんで名付けられました。つまり、NASA ゴダード宇宙飛行センターの地球科学主任科学者であるポール ニューマンが説明するように、「カルマン ラインは、航空機に揚力を生み出すのに十分な速度で飛行できない高度として定義されます」。航空学とは別に、カルマン ラインの上下には別の違いがあります。「100 キロメートル未満では、気体は乱流によってよく混合されます。したがって、窒素は約 78%、酸素は約 21% です」とニューマンは説明します。 「高度100キロメートルを超えると、重力によりガスが拡散分離し始めます。この分離高度をホモポーズと呼んでいます。なぜなら、それ以下のものはすべて均質に混合されているからです。」

この高度 100 キロメートル / 62 マイルは、気球から有人宇宙飛行まですべてを網羅する航空スポーツの国際統括団体である国際航空連盟 (FAI) が公式に宇宙の始まりと定めている高度です。「商業宇宙産業も、これを観光飛行の目標にしているようです」と、エンブリー リドル航空大学物理科学学部長のテリー D. オズワルト博士は指摘します。たとえば、ジェフ ベゾスのブルー オリジンは最近、ニュー シェパード カプセルの試験飛行を 65.8 マイルまで打ち上げ、リチャード ブランソン卿のヴァージン ギャラクティックは、スペースシップツーに乗って 62 マイル以上の高度まで乗客を運ぶことを約束しています。

カルマン線は宇宙の始まりを示す公式の国際的定義に最も近いかもしれないが、決してすべての人にとっての基準ではない。「興味深いことに、米国は宇宙の始まりを 100 キロメートルと定義する FAI 協定に署名しましたが、それでも 80 キロメートル (50 マイル) 以上の高度を飛行する人には「宇宙飛行士」のステータスが与えられます。この高度は熱圏の始まりで、高度とともに温度が上昇し始める高度です」とオズワルト氏は言う。この「宇宙飛行士」のステータスは、その高度に到達した NASA の職員と軍人の両方に適用される。

2009年に確立された別の定義もあります。カルガリー大学の研究者は、超熱イオンイメージャーのデータを用いて、宇宙の新たな境界を決定しました。研究者らは、73.3マイル（118キロメートル）がより正確な基準であると主張しています。その線より下ではイオンはより穏やかに動き、それより上ではイオンは狂ったように動き、大気と宇宙の違いを示しているからです。しかし、73.3マイルは地球の大気の技術的な外縁には程遠いことは興味深いことです。大気は、対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、外気圏の5つの異なる層で構成され、地球の上空約497マイルに広がっています。実際、科学者たちは大気がどこで終わるのか明確な定義さえ持っていません。大気はどんどん薄くなり、ついには消えてしまいます。

次に、国際宇宙ステーション (ISS) のケースですが、これは大多数の説明によれば、確かに宇宙にあります。高度約 248.5 マイル (400 キロメートル) で周回しており、これはカルマン線やカルガリー大学の標高よりはるかに高いです。宇宙飛行士がここで微小重力を体験しているのだから、248.5 マイルは宇宙の端より上であれば間違いなく安全だと思われるでしょう。しかし、そうではありません。熱圏にあるステーションは、地球に向かって常に自由落下しており、地球の重力と大気の影響を受けています。ISS は (非常に薄い) 空気をかすめると速度が遅くなり、高度を維持するために定期的にブーストする必要があります。

ISS 内で浮遊している宇宙飛行士も、依然として重力を体験している。彼らの無重力状態は、パイロットが飛行機を空中で巨大な弧を描くように操縦する放物線飛行に搭乗している乗客の体験に似ている。弧の頂点で、乗客は数秒間の無重力状態を体験する。周囲のすべてのものと同じ速度で落下している場合 (つまり、空気抵抗がない場合)、まるで浮いているように感じる。地球の重力がなくなる地点に到達したい場合、約 2,100 万キロメートル (1,300 万マイル) 飛行する必要がある。これは月の 87 倍の距離である。

「宇宙の端の定義は、それぞれの問題にとって大気中のどのようなプロセスが重要と考えるかによって決まります」とオズワルト氏は言います。「たとえば、飛行機が飛べなくなる場所が重要であれば、それが宇宙の始まりの定義になります。太陽フレアや宇宙線による放射線の危険が懸念事項であれば、それが懸念事項の高度になります。軌道の達成が重要であれば、定義は 160 キロメートルになるかもしれません。その高度では、大気との摩擦が十分に低く、いわゆる「低地球軌道」を維持できるでしょう。」

つまり、宇宙の境界は障壁というよりはむしろ動く目標であり、宇宙飛行における新たなマイルストーンや成果が達成されるにつれて変化していくのです。唯一の疑問は、次にどこへ宇宙を突き進むのか、ということです。