[公開] 2025年1月14日 12:34am AEDT 更新: 2025年1月15日 5:47am AEDT
[質問] ボー・H、10歳、ニューハンプシャー州ダーラム、アメリカ合衆国
[答えてくれる先生] : Benjamin L. Emerson
ロケットが地球から脱出するために高速で飛行しなければならないのには理由があります。それは重力によるもので、私たち全員が 毎日、毎瞬経験するもの です。
重力は、あなたを地面に引き寄せる力です。そしてそれは良いことです。重力はあなたを地球に留めます。そうでなければ、あなたは宇宙に漂ってしまいます。
しかし、宇宙に向かうロケットの場合、重力は地球を離れることを困難にします。地球の引力から逃れることは困難です。重力は強いだけでなく、地球から遠く離れた場所にまで及んでいます。
風船のように
ロケット科学者 として、私が行うことの 1 つは、ロケットが重力を克服する方法を学生に教えることです。仕組みは次のとおりです。
基本的に、ロケットは 推進剤を燃やして高温のガスを作り、推力 (thrust) 、つまり力 (force) を生み出す必要があります。次に、ノズルから高温のガスを噴射します。風船を膨らませて放し、空気が勢いよく抜けて風船が飛んでいくのを見るようなものです。
picture: On July 16, 1969, a Saturn V rocket sent Apollo 11 and three American astronauts on their way to the Moon. Heritage Images/Hulton Archive via Getty Images 1969 年 7 月 16 日、サターン V ロケットがアポロ 11 号と 3 人のアメリカ人宇宙飛行士を月へ送り出しました。
より具体的に言うと、ロケットの推進剤は 燃料と酸化剤 の両方で構成されています。燃料は通常、水素、メタン、灯油などの可燃性物質です。酸化剤は通常、燃料と反応して燃焼する液体酸素です。
宇宙に出て地球から脱出するとき、ロケットは大きな力を必要とするため、推進剤を非常に早く消費します。これは問題です。なぜなら、ロケットは永久に推進し続けるのに十分な推進剤を運ぶことができないからです。（永久に推進し続けるのに）必要な推進剤の量では、ロケットが重すぎて離陸できないからです。
では、推進剤がなくなるとどうなるでしょうか。推力が止まり、重力によってロケットの速度が遅くなり、徐々に地球に落下し始めます。
picture: A rocket provides the spacecraft with a sideways push (right arrow), gravity pulls it toward Earth (down arrow), and the resulting motion (red arrow) puts the spacecraft into orbit (yellow path). ESA/ L. Boldt-Christmas ロケットが宇宙船を横方向に押し出し (右矢印)、重力が宇宙船を地球に引き寄せ (下矢印)、その結果生じる動き (赤矢印) によって宇宙船は軌道に乗ります (黄色の軌道)。
幸いなことに、科学者はロケットを横方向にいくらか推進力を持たせて打ち上げ、地球に戻ってくるときに地球に当たらないようにすることができます。科学者たちは、ロケットが地球の周りを永遠に回り続けるようにすることもできます。言い換えれば、宇宙船は軌道に乗り、地球の周りを回り始めます。
多くの打ち上げは意図的に地球を完全に置き去りにしません。現在、何千もの衛星が地球を周回しており、電話やテレビの機能に役立ち、気象学者のために天気パターンを表示し、さらにはクレジットカードを使って店で買い物をしたり、ガソリンスタンドでガソリンを買ったりすることもできます。国際宇宙ステーションを含め、これらの衛星は夜空で時々見ることができます。
地球からの脱出
しかし、ロケットを地球の重力から永遠に脱出させて宇宙の奥深くまで飛ばすことが目標だとしましょう。科学者たちは、ステージングと呼ばれる巧妙なトリック を使います。まず大きなロケットで打ち上げ、宇宙に着いたらそれを捨てて小さなロケットを使用します。こうすることで、大きなロケットの重さなしで旅を続けることができ、必要な推進剤も少なくて済みます。
picture: The launch of a SpaceX Falcon 9 rocket from Cape Canaveral, Fla., in May 2024. The rocket carried 23 Starlink satellites into low Earth orbit. Joe Raedle via Getty Images 2024年5月にフロリダ州ケープカナベラルから打ち上げられたSpaceXのファルコン9ロケット。このロケットは23基のスターリンク衛星を低地球軌道に乗せました。
しかし、ステージング（staging）だけでは十分ではありません。最終的にはロケットの推進剤が尽きてしまいます。しかし、ロケットが十分に速くなれば、推進剤が尽きても、重力に引っ張られることなく、地球から永遠に遠ざかり続けることができます。自転車に乗るのと同じです。十分なスピードを上げれば、最終的にはペダルをこがなくても坂を滑走できるようになります。
自転車を惰性で滑走させるのに必要な最低速度があるのと同じように、ロケットが宇宙に惰性で飛び出すのに必要な最低速度は 25,020 mph (時速約 40,000 キロメートル) です。
科学者たちはその速度を脱出速度（the escape velocity）と呼んでいます。ロケットは、地球から離れる推進力が重力の引き戻し力よりも強くなるように、その速度で飛ばなければなりません。それより遅いと、地球の軌道に入ってしまいます。
木星からの脱出
物体が大きいほど、または質量が大きいほど、重力は強くなります。地球よりも大きな惑星からロケットを打ち上げるには、より高い脱出速度を達成する必要があります。
picture: A rocket leaving Jupiter would need an enormous amount of propellant. Corbis Historical via Getty Images 木星を離れるロケットには膨大な量の推進剤が必要です
たとえば、木星（Jupiter）は太陽系で最も巨大な惑星（planet）です。非常に大きく、地球 1,000 個を飲み込む ことができます。そのため、非常に高い脱出速度が必要です。時速 133,100 マイル (約 214,000 キロメートル) で、地球の脱出速度の 5 倍以上です。
しかし、極端な例はブラックホール（black hole）です。ブラックホールは、非常に巨大な物体であるため、脱出速度が異常に速いです。実際、非常に速いため、時速約 6 億 7,000 万マイル (10 億キロメートル以上) の光でさえ脱出するには速度が足りません。これがブラックホールと呼ばれる理由です。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4kids の翻訳責任で行われています。オリジナルの記事を読めます。original article.
