地球は何からできているのでしょうか？
岩石、水、空気、鉄。
そう答えることもできます。
ですが、もう少し細かく見ると、地球は原子と分子の集まりです。
足元の岩石も、海の水も、空気も、地球の中心にある鉄も、もとをたどれば原子でできています。
そして、その原子や分子は、地球でいきなり生まれたものではありません。
- 宇宙の始まり
- 星の誕生
- 星の内部で起きた核融合
- 星の死
- 宇宙にばらまかれた原子
- それらが結びついてできた分子や鉱物
- さらに、それらが集まってできた宇宙のチリ
そうした長い流れを経て、ようやく地球の材料がそろっていきました。
地球は、ただ時間が経ったら自然にできたものではありません。
材料が作られ、ばらまかれ、結びつき、集まり、衝突し、内側で分かれて、少しずつ今の地球に近づいていったものです。
この記事では、地球の誕生を「原子と分子の旅」として見ていきます。
地球は、原子と分子の集まりでできている
地球は、岩石、金属、水、大気などからできています。
それを原子の目線で見ると、酸素、ケイ素、鉄、マグネシウム、ニッケル、水素、炭素、窒素など、さまざまな原子の集まりです。
たとえば、地球の岩石には、酸素やケイ素、マグネシウム、鉄などが多く含まれています。
地球の中心には、鉄やニッケルを多く含む核があります。
水は、水素と酸素からできています。
大気には、窒素や酸素、二酸化炭素などが含まれています。
こうして見ると、地球は「原子の組み合わせでできた惑星」だと言えます。
ただし、ここで大事なのは、これらの原子が最初から宇宙にそろっていたわけではないことです。
宇宙が始まった直後に多かったのは、主に水素やヘリウムのような軽い原子でした。
岩石の地球を作るには、酸素、ケイ素、鉄、マグネシウムなどの重い原子が必要です。
しかし、そうした重い原子は、最初から十分にあったわけではありません。
それらは、星の内部や星の死を通じて作られ、宇宙へばらまかれていきました。
つまり地球は、宇宙の始まりからそのままできたものではありません。
星が材料を作り、星の死がそれを宇宙に広げ、その材料が集まって生まれた惑星です。
ここが面白いところです。
地球の歴史は、地球ができた46億年前から始まるわけではありません。
その材料の歴史までたどるなら、話は宇宙の始まりまで戻ります。
地球誕生の時間スケール｜138億年前から46億年前へ
ここで見ているのは、数年や数百年の話ではありません。
宇宙が始まったのは、約138億年前。
太陽系ができ始めたのは、約46億年前。
地球が形を作っていったのは、およそ45億年前ごろです。
つまり、宇宙が始まってから地球の材料が太陽の周りに集まり始めるまでに、約90億年以上の時間が流れています。
その間に、星が生まれ、星の中で重い原子が作られ、星が死に、その材料が宇宙にばらまかれました。
地球は、46億年前に急に現れたわけではありません。
途方もない時間の中で、材料が何度も姿を変えて、ようやく生まれた惑星です。
ざっくり見ると、流れはこうです。
| 時期の目安 | 材料の変化 |
|---|---|
| 約138億年前 | 宇宙が始まる |
| 数分後〜約38万年後 | 軽い原子核ができ、やがて原子として安定する |
| 数億年後ごろ | 最初の星が生まれ、重い原子を作り始める |
| 長い星の世代交代 | 星の中で重い原子が作られ、宇宙へばらまかれる |
| 約46億年前 | 太陽系のもとになるガスとチリが集まる |
| 約46億〜45億年前ごろ | チリや微惑星が衝突し、原始地球が育つ |
| 約45.4億年前ごろ | 地球が形成される |
もちろん、これは細かい年表ではありません。
ここで見たいのは、「いつ何が起きたか」を暗記することではなく、地球の材料がどれほど長い時間をかけて姿を変えてきたのかです。
では、最初の宇宙には何があり、どこから原子が生まれたのでしょうか？
138億年前：宇宙が始まり、軽い原子が生まれる
宇宙は、約138億年前に始まったと考えられています。
ただし、宇宙が始まった直後に、今のような岩石や水や空気があったわけではありません。
それどころか、最初から原子や分子が安定して存在していたわけでもありません。
宇宙は非常に高温で、粒子が激しく飛び交うような状態でした。
その後、宇宙が膨張して冷えていく中で、陽子や中性子、電子が落ち着き、やがて水素やヘリウムのような軽い原子ができていきます。
ここは、今後「宇宙の誕生」の記事で触れているので、よければ覗いてみてください。
この記事では、まず次の点だけ押さえれば十分です。
最初の宇宙に多かったのは、主に水素やヘリウムでした。
ですが、それだけでは地球は作れません。
岩石の地面を作るには、酸素やケイ素が必要です。
地球の中心にある核を作るには、鉄やニッケルが必要です。
水や大気を考えるなら、酸素、炭素、窒素なども重要になります。
つまり、宇宙の始まりには、地球を作る材料がまだ足りなかったのです。
では、その足りない材料はどこで作られたのでしょうか？
答えは、星です。
最初の星は、地球の材料を作る場所だった
宇宙が始まってからしばらくすると、水素やヘリウムのガスが重力によって集まり始めます。
ガスが集まると、中心部はだんだん高温・高密度になります。
そして、ある段階を超えると、星が生まれます。
星というと、夜空で光っているものというイメージがあるかもしれません。
もちろん星は光ります。
ですが、原子の目線で見ると、星はただ光っているだけではありません。
星は、新しい原子を作る場所でもあります。
星の中心では、核融合という反応が起きます。
簡単に言うと、軽い原子の核がくっついて、より重い原子の核に変わっていく反応です。
たとえば、太陽のような星では、水素がヘリウムへ変わる反応が起きています。
もっと重い星では、その先に、炭素、酸素、ネオン、マグネシウム、ケイ素、鉄など、さらに重い原子が作られていきます。
ここで、地球の材料が少しずつ生まれ始めます。
- 地球の岩石に多い酸素やケイ素
- 地球の内部に多い鉄やニッケル
- 生命や大気にも関わる炭素や酸素
こうした原子は、地球でいきなり作られたものではありません。
星の中で、長い時間をかけて作られていったものです。
つまり、星は地球の材料を作る工場のような存在だったと言えます。
もちろん、実際の星の内部はとても複雑です。
どの元素がどの過程で作られるのかは、星の重さや寿命によっても変わります。
ですが、この記事では細かい反応までは追いません。
大事なのは、宇宙の始まりには足りなかった重い原子が、星の内部で作られていったということです。
星の死によって、原子は宇宙へばらまかれる
星の中で重い原子が作られても、それだけではまだ地球にはなりません。
星の内部に材料が閉じ込められたままでは、次の星や惑星の材料にはなれないからです。
作られた原子は、宇宙空間へばらまかれる必要があります。
重い星は、一生の終わりに激しい爆発を起こすことがあります。
これが超新星爆発です。
超新星爆発では、星の内部で作られた原子が宇宙空間へ広がっていきます。
星は、ただ消えるわけではありません。
その死によって、自分の中で作った材料を宇宙へ渡していきます。
この材料は、次の世代の星や惑星のもとになります。
つまり、地球の材料は、一度星の中で作られ、星の死によって宇宙に広がり、その後また集められていったものです。
ここが、ただの年表では見えにくいところです。
- 宇宙ができた
- 星ができた
- 地球ができた
そう並べるだけだと、地球は時間の流れで自然に現れたように見えます。
ですが実際には、材料そのものが宇宙の中で作られ、星の死によって受け渡されていきました。
地球は、宇宙の中で何度も材料が作り直され、再利用されて生まれた惑星なのです。
原子から分子、そして宇宙のチリへ
星の死によって宇宙へばらまかれた原子は、そのまま地球になったわけではありません。
まず、原子どうしが結びつきます。
水素と酸素が結びつけば、水のもとになります。
炭素と酸素が結びつけば、一酸化炭素や二酸化炭素のような分子になります。
ケイ素、酸素、マグネシウム、鉄などは、岩石や鉱物の材料になります。
ここで、地球の材料は少し具体的になります。
ばらばらの原子が、分子や鉱物という「性質を持った材料」へ変わっていくからです。
水素だけ、酸素だけ、鉄だけ、ケイ素だけ。
それぞれの原子がばらばらに漂っているだけでは、私たちが知っている地球にはなりません。
原子が結びつき、分子になり、鉱物になっていく。
この段階を経ることで、ようやく地球の材料らしくなっていきます。
地球は、原子を袋に詰めたようなものではありません。
原子が結びつき、性質の違う材料になり、それがさらに集まってできたものです。
さらに、それらの分子や鉱物は、冷えて固まり、小さな粒になります。
これが、宇宙のチリです。
チリと言うと、部屋のすみにたまるホコリのようなものを想像するかもしれません。
ですが、宇宙のチリは、惑星を作る重要な材料です。
そこには、鉱物や氷、有機物を含む小さな粒が含まれることがあります。
地球の材料は、いきなり巨大な岩になったわけではありません。
まずは、目に見えないほど小さな粒として宇宙を漂っていました。
原子が分子になり、分子や鉱物がチリになる。
ここまで来て、ようやく「惑星を作る材料」が見えてきます。
46億年前：太陽系の円盤で、地球の材料が集まり始める
約46億年前、太陽系のもとになるガスとチリの雲が集まり始めました。
中心部には物質が集まり、やがて太陽になります。
その周りには、ガスとチリが円盤状に広がって残りました。
これを原始惑星系円盤と呼びます。
この円盤の中で、惑星の材料が集まっていきます。
- 小さなチリの粒どうしがぶつかる
- くっつく
- 少し大きくなる
- また別の粒とぶつかる
- さらに大きくなる
この繰り返しによって、地球の材料は少しずつ成長していきます。
ここで大事なのは、地球が太陽の周りのどこでできたかです。
太陽に近い内側の領域では、温度が高く、氷のような揮発しやすい物質は残りにくくなります。
そのため、内側では岩石や金属を中心とした惑星が作られやすくなりました。
水星、金星、地球、火星のような岩石惑星です。
一方で、太陽から遠い外側では、氷を含む材料も残りやすく、巨大なガス惑星や氷を含む天体ができていきます。
地球は、太陽の近くで、岩石と金属を中心に材料を集めた惑星です。
つまり、地球が何からできているかは、太陽系の中でどの場所にいたかとも関係しています。
チリから微惑星へ｜小さな粒が天体になっていく
チリが集まると言っても、いきなり地球サイズになるわけではありません。
小さな粒が集まり、小石のようなものになる。
小石のようなものがさらに集まり、大きなかたまりになる。
そのかたまりが成長し、微惑星と呼ばれる小さな天体になります。
微惑星は、惑星の赤ちゃんのような存在です。
サイズには幅がありますが、数kmから数百kmほどの天体をイメージするとわかりやすいかもしれません。
もちろん、実際の微惑星形成はまだ研究が続いている難しいテーマです。
小さなチリがどうやって効率よく大きな天体へ成長したのかには、まだ議論もあります。
ただ、この記事では細かい物理までは追いません。
大事なのは、地球が一気に作られたわけではないことです。
原子が分子になり、分子や鉱物がチリになり、チリが小さなかたまりになり、微惑星になっていく。
材料は、何段階も姿を変えながら大きくなっていきました。
しかも、この過程は一瞬ではありません。
何度もぶつかり、くっつき、壊れ、また集まる。
その繰り返しの中で、地球のもとになる天体が育っていきました。
ここが、地球誕生の面白いところです。
「宇宙ができたから地球ができた」のではありません。
材料が作られ、結びつき、粒になり、集まり、衝突しながら、ようやく惑星の形に近づいていったのです。
ちなみに、ここで疑問になるのは、「なぜ昔の地球には、そんなに多くの天体が衝突したのか」ということです。
昔の宇宙には、隕石がただランダムに飛び交っていたわけではありません。
太陽が生まれたころ、その周りにはまだ惑星になりきっていない材料が大量に残っていました。
ガス、チリ、小さな岩石の粒、微惑星、原始惑星。
それらが太陽の周りを回りながら、ぶつかり、くっつき、壊れ、また集まっていたのです。
つまり、若い地球は「外から突然飛んできた石をたまたま受け止めていた」というより、太陽の周りに残っていた大量の材料の中で、衝突と合体を繰り返しながら成長していました。
時間が経つにつれて、材料の多くは惑星に取り込まれたり、太陽に落ちたり、外側へ弾き飛ばされたりして、太陽系は少しずつ落ち着いていきます。
今でも隕石は地球に落ちます。
ですが、地球ができたばかりのころに比べれば、太陽系はかなり「片付いた」状態になっているのです。
微惑星の衝突で、原始地球ができる
微惑星は、互いにぶつかり合いながら成長していきます。
- 衝突
- 合体
- また衝突
- また合体
これを繰り返しながら、地球のもとになる原始地球が作られていきました。
ここで、地球のイメージは少し変わると思います。
地球は、静かに固まってできた惑星ではありません。
小さな天体が何度も衝突し、合体し、そのたびに大きくなっていった惑星です。
衝突は、ただ材料を足すだけではありません。
大きなエネルギーも生みます。
天体がぶつかると、激しい熱が発生します。
さらに、放射性元素が出す熱や、重い物質が中心へ沈んでいくときに生じる熱も加わります。
その結果、原始地球は非常に高温になり、表面や内部が大きく溶けた状態になったと考えられています。
地球の初期には、マグマの海のような状態が広がっていた時期があったと考えられます。
私たちが今見ている地球は、青くて、海があり、大気があり、落ち着いた惑星に見えます。
ですが、生まれたばかりの地球は、かなり激しい世界でした。
原子や分子から始まった材料は、ついに惑星の大きさまで集まりました。
しかし、この時点では、まだ今の地球とは違います。
次に起きるのは、地球内部での「材料の分かれ方」です。
コラム：月も、地球誕生の衝突の中で生まれた？
地球ができる過程では、多くの小天体が衝突していました。
その中でも特に大きな衝突によって、月が生まれたという説があります。
- 原始地球に、火星ほどの大きさの天体が衝突する
- その衝撃で、地球の一部と衝突した天体の物質が宇宙空間へ飛び散る
- その飛び散った物質が、地球の周りで集まり、月になる
この考え方は、巨大衝突説と呼ばれています。
もちろん、月の誕生にはまだ研究中の点もあります。
ここでは深くは扱いません。
ただ、月の存在は、地球が静かに生まれたわけではないことを教えてくれます。
夜空に浮かぶ月は、穏やかな天体に見えます。
ですが、その起源をたどると、若い地球が激しい衝突を経験していた可能性が見えてきます。
月もまた、地球誕生の激しい時代を物語る存在なのです。
地球の分化｜鉄は中心へ、岩石は外側へ
原始地球が熱くなって溶けると、中で材料が分かれていきます。
これを、地球の分化と呼びます。
分化というと難しく聞こえますが、考え方はそこまで複雑ではありません。
- 重いものは沈みやすい
- 軽いものは外側に残りやすい
原始地球の中では、重い鉄やニッケルが中心へ沈んでいきました。
一方で、ケイ素や酸素を含む岩石成分は、比較的外側に残っていきました。
その結果、地球には層構造ができていきます。
中心には、鉄やニッケルを多く含む核。
その外側には、岩石質のマントル。
さらに外側には、地殻。
地球は、ただの大きな岩のかたまりではありません。
内部に構造を持つ惑星です。
そして、その構造は、原子や物質の性質によって決まっていきました。
鉄が中心へ沈んだから、地球には金属の核があります。
ケイ素や酸素を含む岩石成分が外側に残ったから、地球の表面には岩石の世界があります。
ここでも、材料はただ集まっただけではありません。
集まったあと、内部で分かれました。
この「分かれる」という過程によって、地球は地球らしい内部構造を持つようになっていきます。
水と大気が整い、生命の舞台に近づく
こうして、地球は岩石と金属を中心とした惑星として形を作っていきました。
ただし、生命の舞台になるには、それだけでは足りません。
水と大気が重要になります。
地球ができたばかりのころ、表面は非常に高温でした。
しかし、時間が経つにつれて少しずつ冷えていきます。
火山活動などによって、地球内部から水蒸気、二酸化炭素、窒素などのガスが放出されました。
また、水を含む小天体が地球に衝突し、水の材料を運んできた可能性もあります。
地球が冷えていくと、水蒸気は液体の水になり、やがて海ができていきます。
ここで、地球は少しずつ生命の舞台に近づいていきます。
ただし、水の由来はとても大きなテーマです。
- 地球内部から出てきた水蒸気
- 水を含む小天体によって運ばれた水
- それらがどの程度関わっているのか
ここには、今も研究されている部分があります。
そして、水は生命の誕生にも深く関わります。
- なぜ水があると生命が生まれやすいのか
- 水、有機物、エネルギーがどうつながるのか
- 地球という舞台の上で、生命はどう始まったのか
これは、次の記事で改めて見ていきたいテーマです。
この記事では、まず地球という舞台がどう作られたのかを見てきました。
宇宙で生まれた原子が、星で育ち、分子やチリになり、微惑星になり、衝突して地球になり、内部で分かれ、水と大気を持つ惑星へ近づいていく。
ここまでが、生命の前に必要だった長い準備です。
まとめ｜地球は、宇宙で育った原子と分子の集まりである
地球は、最初から地球だったわけではありません。
宇宙の始まりには、地球の材料はほとんどそろっていませんでした。
最初に多かったのは、水素やヘリウムのような軽い原子です。
そこから星が生まれ、星の中で重い原子が作られました。
星が死に、その原子が宇宙へばらまかれました。
原子は分子や鉱物になり、宇宙のチリになりました。
そのチリが太陽の周りに集まり、微惑星になりました。
微惑星が衝突と合体を繰り返し、原始地球ができました。
熱で溶けた地球の中では、鉄やニッケルが中心へ沈み、岩石成分が外側に残りました。
そして、水と大気が整い、地球は生命の舞台へ近づいていきました。
こうして見ると、地球はただ時間が経ってできたものではありません。
星が材料を作り、星の死がそれを宇宙に広げ、重力が集め、衝突が形を作り、内部で材料が分かれて、今の地球に近づいていきました。
私たちが立っている地面も、吸っている空気も、海の水も、もとをたどれば宇宙の中で生まれた原子や分子です。
地球を見ることは、宇宙の歴史を見ることでもあります。
足元にある岩石は、ただの石ではありません。
それは、宇宙の始まりから星の誕生と死を経て、長い時間をかけてここまでたどり着いた材料のかたまりでもあります。
そう考えると、地球はただの「住んでいる場所」ではなく、宇宙の歴史が集まってできた場所なのだと思います。
ここまでお読みいただきありがとうございました。
さらに深く知りたい方へ
地球の誕生や、宇宙と物質のつながりをもう少し深く知りたい方には、次の本もおすすめです。
※一部リンクにはアフィリエイトを利用しています。あなたの負担が増えることはありません。いただいた収益は、ブログ運営や書籍購入などの学習費に充てています。
『地球のすべて』ニュートンプレス
地球の形成、生命の誕生、地球内部の構造などを、豊富な図解で学べる一冊です。
まずはビジュアルで「地球という惑星の全体像」をつかみたい方に向いています。
『宇宙は何でできているのか』村山斉
宇宙の始まりや、物質を作る最小単位である素粒子について、やさしく学べる本です。
この記事で少し触れた「原子はどこから来たのか」という問いを、さらに宇宙の始まりまで戻って考えたい方におすすめです。
『地球惑星科学入門 第2版』在田一則・竹下徹・見延庄士郎・渡部重十 編著
地球、太陽系、惑星、大気、海洋、地球史までを幅広く学べる入門書です。
少し専門寄りですが、地球を「宇宙の中の惑星」として体系的に理解したい方に向いています。
参考文献
この記事では、主に以下の公的機関・研究機関・専門機関の情報を参考にしました。
