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ボールを宇宙まで投げられる速さ？！宇宙速度って一体何？！

Maji Hiroki｜ひろの宇宙ビジネス通信簿

今日はですね、宇宙ビジネスというよりかは、天文学？的な話をしようと思います。天文学とは言いましたが、宇宙ビジネスにも大きく関わる部分なので、良かったら楽しみながら読んでみてください！それではレッツゴー！

本題ですが、皆さんは、子どもの頃に「異次元の速度で思いっきりボールを投げたら宇宙まで飛んでいくんじゃない？」なんて空想をしたことはありませんか？あるいは「めちゃくちゃ速く走ったら地球から飛び出せる？」なんて考えたこと、ありませんか？（これ実際に筆者は少し考えてました。なんか大砲とかで球を異次元の速度で打ち上げたらもう帰ってこなくなるんじゃないかとか）
実は、地球から物を宇宙に飛ばすには「宇宙速度」と呼ばれる特別なスピードが必要なんです！そしてこの宇宙速度、1種類じゃなくて3段階もあるって知ってましたか？ 第一宇宙速度・第二宇宙速度・第三宇宙速度という3つの速度があって、それぞれ到達できる世界が違うんですよ。本来は色んな複雑な計算をして、高校の物理やら数学の理論やらを使って説明されるらしいのですが、難しい数式は出てこないので安心してください。（筆者も文系なので物理やら数学の方は正直お手上げです…）
今日はこの3つの宇宙速度を、僕のような文系の方にでもわかるようにやさしく紹介していきますね！

第一宇宙速度: 地球の周りを回る速さ

まずは第一宇宙速度です。これは言い換えてみれば「人工衛星になれる」速さとも言えます。どういうことかというと、地表すれすれを飛んで地球をぐるっと回り続けられる最低の速度のことなんです。もう少しかみ砕いて説明しましょう。

例えば、高い山の上から遠くへ向けてボールを水平に投げるところを想像してください。ゆっくり投げれば近くに落ちますが、もっと速く投げると遠くまで飛んでいき、地球が丸いので地平線の向こうに消えていきますよね。でも、どんなに頑張っても普通の速さではやがて地面に落ちてしまいます。ところが！もしものすごい速さで投げることができたらどうでしょう？ ボールが落ちるカーブと地球の丸みのカーブが釣り合って、ボールは落ちながらも地表にぶつからず地球をぐるっと回ってしまうんです。「そんな都合のいい速さがあるの？」と思うかもしれませんが、それがまさに第一宇宙速度というわけです！


ニュートンの大砲のイメージ

上の写真はニュートンが考えた有名な思考実験「ニュートンの大砲」のイメージです。高い山の頂上から砲弾（大砲の玉）をだんだん速く撃ち出していくと、遅い場合(A, B)は近くに落下しますが、ある速さ(C)で撃てば地球の丸みに沿って落ち続け永遠に地表に落ちない軌道に入ります。これが第一宇宙速度なんですね！さらに速い(D)と楕円状の軌跡を描き、さらに早い(E)と地球外に飛び出していきます！（これが第二宇宙速度、後述します）。要するに第一宇宙速度とは、「落ちてこないギリギリのスピード」なんですよ。

ではそのスピード、具体的にはどれくらいでしょうか？地球の場合、約7.9km/sと言われています。1秒間に7.9キロメートルですよ！ピンと来ないですよね…意味わからないですもん。 時速に直すと約28,400 km/hになります。これは東京から大阪までおよそ1分ちょっとで着いてしまうほどのとんでもない速さです。音速の約23倍、ジェット機の十数倍以上にもなります。

ちなみに国際宇宙ステーション（ISS）は地表から約400km上空で地球を回っていますが、その速度は約7.7km/sにも達し、約90分で地球を一周しているんです！（まさにこの第一宇宙速度と同程度の速さなんです！）。こうした人工衛星はみんな第一宇宙速度で地球をぐるぐる回っているわけです。

（秒速約7.7km/sじゃ地球に落ちちゃうじゃんと思ったそこのあなた。鋭い！そうなんですよ。この速さじゃ大気圏に落ちて燃え尽きちゃうんですよね。そのため！実は国際宇宙ステーションは、時々エンジンを使って高度を上げているんです！面白いですよねえ。）

第二宇宙速度: 地球から脱出する速さ

次は第二宇宙速度です。これは一言でいうと「地球の重力圏から完全に脱出するための速さ」です。先ほどの第一宇宙速度よりさらに速く投げると、ボール（やロケット）は地球の周りを回るどころか地球から永遠に飛び去って戻ってこなくなります。この「もう戻ってこない」ために必要な最低限のスピードが第二宇宙速度なんですね。別名「地球脱出速度」なんて呼ばれることもあります。（僕のボールもこの第二宇宙速度で投げることが出来れば戻ってくることが無かったということですね。）

イメージしやすいように、地球の重力を「井戸」や「深い穴」に例えてみましょう。私たちは地球という重力の井戸の底にいます。ボールを投げ上げたりロケットを打ち上げたりするのは、この井戸から物体を投げ出すイメージです。井戸が深ければ深いほど、弱い力（遅いスピード）では途中で落ちてきてしまいますよね。地球の引力という井戸はとても深いので、相当なスピードで投げないと脱出できません。その「井戸の縁を越える速さ」が第二宇宙速度なんです。

地球の場合、その速さは約11.2km/s、時速に直すとなんと約40,300 km/hにもなります。40,000 km/h超えですから、地球を丸ごと1時間で一周できてしまう計算です！第一宇宙速度(7.9km/s)より速いですが、実はちょうど√2倍(約1.414倍)程度です。身近な例だと…さすがに身近なものはありませんが（笑）、強いて言えばロケットがこの速度を目指してがんばっています！
人工衛星の時は第一宇宙速度でよかったですが、月や火星に向かう探査機、あるいはアポロ宇宙船のように地球から離れていくミッションでは第二宇宙速度が必要になるんです。これより遅いと結局地球を回る軌道に入ってしまい、地球の重力に縛られてしまいます。逆にこの速さをクリアすれば、地球の引力を振り切ってずーっと宇宙空間を飛び続けることができます。ロマンですね！

第三宇宙速度: 太陽系から飛び出す速さ

最後に第三宇宙速度です。ここまでくるとスケールが太陽系になります。地球から脱出できても、私たちはまだ太陽という親分の重力に束縛されています。地球が太陽の周りを回っているように、地球を飛び出したロケットもそのままでは太陽の周りを回る人工惑星のようになってしまいます。つまり、地球の井戸は抜け出せても、今度は太陽の巨大な重力井戸の底にいる状態なんですね（第二宇宙速度でも太陽系からは逃れられないってことですね）。そこで第三宇宙速度の出番です！太陽の引力圏からもスパッと抜けて、太陽系そのものから外に飛び出してしまうための速さ、これが第三宇宙速度なんです。

その大きさは地球公転軌道付近で約16.7km/s、時速にして約60,100 km/hとされています。第二宇宙速度(11.2km/s)よりさらに速いですが、イメージ的には「地球を出て太陽にぐるぐる捕まらないくらいのスピード」ということですね。必要なエネルギーも桁違いに大きくなります。実際の宇宙探査では、この第三宇宙速度に到達するのに惑星の重力アシスト（スイングバイ）をよく利用しています。木星や土星の近くをかすめてその引力を利用し、まるで「動く野球のバットで宇宙船を打ってもらう」ように加速してもらうんですね。こうした工夫をしないと、とても太陽の引力圏は抜け出せないほどパワーが要るんです。

では人類はこの第三宇宙速度で太陽系を出たことがあるのでしょうか？ 実はごくわずかですが存在するんです！【ボイジャー1号】・【ボイジャー2号】といった探査機は1977年に地球を旅立ち、木星・土星などでスイングバイを重ねた結果、太陽の引力を振り切る速さを手に入れて今まさに太陽系の外へ旅しています。他にもパイオニア10号・11号、ニュー・ホライズンズなど、数えるほどの探査機が第三宇宙速度を超えて飛んでいます。これらは人類が生み出した「星の海を旅するボトルメール」みたいな存在ですね。ロマンですね！（2回目）

おまけ: 第四・第五の宇宙速度って？

ここからは本当におまけです、というかもはやSFとか理論上の話になってきます。
第一〜第三宇宙速度までで地球・太陽系の話をしましたが、「宇宙速度」は実は第4、第5…とまだ上があります。本当にお遊びのようなものですが、ちょっとだけ紹介しますね。

第四宇宙速度とは、「銀河系（天の川銀河）から脱出する速さ」です。（スケールが桁違いで意味わからないですよね。僕もです）
太陽系は銀河系という大きな星の集まりの中に属しています。その重力のしがらみから抜け出すには、もうとんでもなく大きな速度が必要です。数値は仮定によって色々ですが、だいたい数百km/sと言われます。【伊達の物理】というサイトでは太陽系が銀河中心から約2.8万光年の位置にあるとして約300km/sと試算しています。1秒で300キロ進むなんて、もう想像できないですよね（ちなみに光の速さは約300,000km/sなので、その1000分の1程度です）。現在人類が到達した宇宙速度（第3まで）とは桁違い、もはや別次元のスピードです。

さらにその上、第五宇宙速度なるものもあります。これは「銀河群（ローカルグループ）から脱出する速さ」です。（分からん。僕の脳じゃ追いつきません）
私たちの銀河系はアンドロメダ銀河などと一緒に銀河の集団（局所銀河群）を作っています。その重力ごと振り切るにはどれほど速く…？これも推測ですが、**1000km/s（1秒で1000キロ！）**にも達すると言われます。光速の約0.3%にもなります。もう頭がクラクラしてきますね…。第4、第5宇宙速度は人類にとってまだ夢のまた夢ですが、いつかこのスピードで銀河の外側へ旅する探査機が現れる日が来るのでしょうか？ロマンですね！（3回目）

※余談ですが、理論上「第六宇宙速度」まで定義する向きもあります。ここはもう説明してもなんか想像もつかないから詳しくは説明しませんでした…。
この第六宇宙速度というのは「宇宙そのもの（観測可能な宇宙）からの脱出速度」ですが、値は光速(約30万km/s)に等しく、質量を持つ物体には到達不可能と言われています。観測可能な宇宙からの脱出…まさに究極のロマンですね！（4回目）

おわりに

いかがでしたか？ボールを投げる話から始まって、気づけば銀河や宇宙の果ての話まで飛んでしまいました。第一宇宙速度は「ボールを地球に落とさずぐるぐる回す速さ」、第二宇宙速度は「ロケットで地球の重力圏を脱出する速さ」、第三宇宙速度は「太陽の家族（太陽系）から旅立つ速さ」でした。どれも日常では縁のない超高速ですが、実際に人類はロケットや探査機でこれらの速度を達成し、宇宙開発を進めてきたんですよね。考えてみれば、とても感動的なことだと思いませんか？

普段何気なく投げているボールも、「あと何倍速く投げれば宇宙に行けるかな？」なんて想像するとちょっと面白いですよね。宇宙速度という概念は、そんな子どもの空想に科学で答えたものと言えるかもしれません。私たちは自分の手でボールを宇宙に投げることはできませんが、ロケットという翼を得て宇宙へと旅立つことができました。宇宙速度というキーワードから広がる壮大なスケールの物語――宇宙ってやっぱりロマンに満ちているなあ、と改めて感じます。
私たちの日常とは桁違いの世界ですが、こうした話に思いを馳せることで、夜空の星を見る目が少し変わってくるかもしれませんね。宇宙への想像はいつだって自由です！（ドヤ）
次に夜空を見上げるときは、「あの星に行くには第何宇宙速度が必要かな？」なんて考えてみてはいかがでしょうか。きっと宇宙が少し身近に感じられる…かもしれないですよ…！


参考文献・参考サイト

  • 宇宙情報センター「宇宙速度とは」
    https://spaceinfo.jaxa.jp/ja/what_is_escape_velocity.html

  • Wikipedia「宇宙速度」
    https://ja.wikipedia.org/wiki/宇宙速度

  • Newtonオンライン「宇宙速度とは何か」
    https://newton.jp/

  • 伊達の物理「第4・第5宇宙速度について」
    http://www2.biglobe.ne.jp/~datenshi/velocity.html

  • NASA Voyager Mission
    https://voyager.jpl.nasa.gov/

  • NASA「Gravity Assist」説明ページ
    https://solarsystem.nasa.gov/missions/gravity-assist/

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