「この星は地球から5光年離れている」と聞くと、年という字に引っ張られて、5年間という時間の話だと思うかもしれません。しかし、光年は距離の単位です。中学受験の天体問題で、数字の後ろの単位を読まずに計算を始めると、距離を聞かれた答えに「年」と書いたり、光の往復を片道だけで答えたりします。まず、1光年が何を表しているかを、言葉でほどいてみましょう。
「何年」ではなく、「光が何年で進む距離」
1光年は、光が真空中を1年間に進む距離です。1年が時間、1光年が距離という違いがあります。光が真空中を進む速さは、1秒に約30万kmです。それを1年分進んだ距離なので、1光年は約9兆4600億kmになります。大きな数字を暗記するより、「速さ×時間で距離を作った単位」という関係を押さえてください。
「駅から徒歩10分」という案内も、時間を使って場所の遠さをイメージさせています。ただし、歩く速さは人や道で変わるので、この表現は距離を厳密に定める単位ではありません。光年は真空中の光の速さを使って定める距離の単位です。似ているところだけを借りたたとえを、そのまま定義にしないようにしましょう。
距離の数字と、届く時間の数字がそろうわけ
近くの星を考える単純な模型で、地球と星の間隔が5光年で一定なら、星を出た光が地球に届くまで5年かかります。これは「5光年＝5年」だからではありません。光が1年に1光年進むので、5光年を進む時間が5年になるのです。距離と時間の数字が同じでも、表す量は違います。
普通の乗り物で5光年先へ行く時間が、5年になるわけでもありません。同じ距離でも、速さが変われば必要な時間は変わります。光年の「光」を、どんな移動にもつけられる飾りの言葉だと思わないことが大切です。問題で移動しているのが光なのか、別の物体なのかを確かめます。
見えた時刻と、光が出た時刻は違う
私たちが星を見るのは、星から出た光が目に届いたときです。光が進むのに時間がかかるため、届いた光には、出発したときの星の情報が含まれます。5光年先の星を今見ているなら、この単純な条件では5年前に出た光を見ていることになります。
ここから「その星はもう存在しない」と結論することはできません。届くまでの間に何が起きたかを、今届いた光だけで知ることはできないからです。過去に出た光を見ているという説明と、星の現在の状態を決める説明を区別しましょう。遠くを見ることは昔の光を見ることですが、それだけで何かが消えた証拠にはなりません。
例題1 距離と出発した年を別々に答える
地球からある星までの距離は6光年で、変わらないものとします。2030年のある日に、その星からの光を観測しました。光が星を出たのは何年前ですか。また、この問題で示された星までの距離の単位は、「年」と「光年」のどちらですか。細かな暦の違いは考えません。
答え・解説： 光が出たのは6年前、年で表せば2024年の対応する時点です。距離の単位は光年です。計算では、6光年を、1年に1光年進む速さで割ると6年になります。「6年前」と「6光年先」は、この条件では対応しますが、同じ種類の答えではありません。解答欄が距離を聞いているのか、時間を聞いているのかで、最後の単位を書き分けます。
例題2 光の返事が戻るまで
地球から3光年離れた観測地点に向けて、光の合図を送りました。その地点では、届いた直後に地球へ光の返事を送り返します。距離は一定で、返事を作る時間はゼロとします。最初の合図を出してから返事を受け取るまで何年かかりますか。
答え・解説： 行きに3年、帰りに3年かかるので、合計6年です。合図を出して3年後に分かるのは、相手の地点へ光が到着したという段階です。地球で返事を受け取るには、そこからもう一度、地球まで光が進む必要があります。3光年という距離を見ただけで3年と答えず、図に行きと帰りの二本の矢印を描いてみましょう。
大きな宇宙の話へ、そのまま広げない
この記事の例題は、比較的近い場所で、距離が変わらないとする模型です。非常に遠い宇宙では、宇宙の膨張も関係し、現在の距離と光が旅した時間の関係を、この計算だけでは表せません。入試の基礎問題では、まず問題が置いた単純な条件の中で、距離・速さ・時間を区別することを練習します。
往復を数える考え方はやまびこの往復時間と共通しますが、音と光では速さが大きく違います。また、天体の図から向きを読み取る彗星の尾と太陽の位置と同じように、見た目の言葉だけでなく、図が何を表しているかを確かめてから考えていきましょう。