宇宙とその歴史
宇宙は数十億の銀河で構成され、各銀河には数十億の恒星が含まれます。太陽は Milky Way（銀河系）内の一つの恒星に過ぎません。重力がすべての軌道を形成し、恒星は質量によって定められたパターンで誕生・消滅します。遠方の銀河の赤方偏移は、宇宙全体が膨張していることを示しており、これは「ビッグバン」による始まりの証拠となります。
Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 8 (Statements 8.1–8.18P)。P付きのStatementsはPhysicsのみ対象の拡張部分です（Paper 2P）。
宇宙における運動
Universe → 数十億の Galaxies（銀河） → 各銀河に数十億の Stars（恒星） → 私たちの太陽系は Milky Way（銀河系） に位置しています。Gravitational field strength（重力場強度） g は質量と半径に依存して変化します（例：Moon（月）では弱く、Jupiter（木星）では強い）。重力はすべての軌道維持に関与しており、衛星は惑星を回り、惑星や彗星は太陽を回り、人工衛星は地球を回っています。
惑星の軌道は nearly circular（ほぼ円形） ですが、彗星の軌道は highly eccentric（非常に離心率が高い） です。太陽に近い場所では速く、遠い場所では遅くなります。軌道速度は、円周 ÷ 周期 で求められます。
** worked check.** 軌道半径7000 km（地球中心からの距離）で周期5800 sの衛星において：$v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ m/s ≈ 7.6 km/s。
計算例（月の公転）。 月は地球中心から 3.84 × 10⁸ m の距離を、 27.3 日に一度周っている。まず周期を秒に変換する： $T = 27.3 \times 24 \times 3600 = 2.36 \times 10^6$ s。次に $v = \dfrac{2 \times \pi \times 3.84 \times 10^8}{2.36 \times 10^6} \approx 1.0 \times 10^3$ m/s、つまり約 1.0 km/sであり、低軌道衛星よりずっと遅い。
計算例（他惑星上の重量）。 70 kg の宇宙飛行士は、地球上では $70 \times 10 = 700$ N、月面上では $70 \times 1.6 = 112$ N（$g = 1.6$ N/kg）の重さを持つ。質量はどちらの場所でも 70 kg で一定である。
恒星進化
恒星は 色 で分類され、それは 表面温度 に依存する： 青が最も熱く → 赤が最も冷たい。太陽のような恒星は、星雲 → 主系列（数十億年間にわたり融合と重力のバランス） → 赤色巨星 → 白色矮星となる。太陽よりも はるかに大質量な恒星 （おおよそその8倍以上の質量）は、星雲 → 主系列 → 赤色超巨星 → 超新星爆発 → 中性子星またはブラックホール となる。
(P) 恒星の明るさは、標準的な距離における absolute magnitude（絶対等級） を用いて比較されます。Hertzsprung–Russell diagram（ヘンリイ・ラッセル図） は、横軸に温度、縦軸に絶対等級をプロットしたもので、Main sequence（主系列）、Giants（巨星）、White dwarfs（白色矮星）が主要な帯として描かれています。
Cosmology（宇宙論）(P)
移動する波源は観測される波長を変化させます（後退の場合、red-shift（赤方偏移） と呼ばれる）。銀河の赤方偏移は距離とともに増大し、その関係性は以下の式で定量化されます。
Worked check. 波長 500 nm のスペクトル線が、遠方の銀河では 505 nm に観測された場合：$\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$、したがって $v = 0.01c = 3000$ km/s。
計算例（P）（シフトの予測）。 銀河が 6000 km/s の速度で遠ざかっている。656 nm で放出された水素スペクトル線は $\Delta\lambda = \lambda_0 \times \dfrac{v}{c} = 656 \times \dfrac{6000}{300\,000} = 13$ nm だけシフトするため、観測される波長は約 669 nm となる。 $v$ と $c$ については同じ単位を使用すること（ここでは km/s）。
距離が増すほど赤方偏移が大きくなることは、銀河が後退速度を増していることを意味し、宇宙は expanding（膨張中） であることを示唆します。この事実は、高温高密度の初期状態、すなわち Big Bang（ビッグバン） への帰着を示しています。Cosmic microwave background (CMB)（あらゆる方向から届く微弱な電波）は、この初期放射が冷却された残骸であり、ビッグバン理論の第2の根拠となります。
よくあるミス
- 惑星の表面から軌道半径を測定している。 $r$ は中心からの距離であるため、高度に惑星の半径を加える必要がある。
- 周期を時間や日のままで $v = 2\pi r/T$ に使用している。m/s に変換するには秒に変換する必要がある。
- 月面の宇宙飛行士の質量が少ないと述べる。質量は同じですが、$g$が小さいため重量は小さくなります。
- (P) 赤方偏移した銀河が赤く見えると述べる。スペクトル内のすべての線はより長い波長へ移動しますが、銀河の色はほとんど変わりません。
- (P) 観測された波長で割る。$\Delta\lambda/\lambda_0$における$\lambda_0$は、実験室で測定された波長である。
- 全ての星が黒色惑星として終わると述べる。太陽のような星は白色矮星として終わり、非常に大質量な星のみが中性子星や黒色惑星になる。
自己チェック
- 大きさの順に並べよ：galaxy（銀河）、solar system（太陽系）、universe（宇宙）、star（恒星）。
- Earth（地球）と Moon（月）の間で g が異なる理由を述べよ。
- 彗星と惑星の2つの軌道の形状を答えよ。
- r = 42 000 km、T = 24 hours の卫星の軌道速度を計算せよ。
- 太陽のような恒星の主系列後の2つの段階を述べよ。
- 恒星の色は何を示しているか？
- (P) HR図はどの2つの物理量をプロットしているか。
- (P) 400 nm の線が 404 nm にシフトした。v/c を計算しなさい。
- (P) ビッグバン理論の2つの証拠を述べよ。
- (P) なぜ距離とともに赤方偏移が大きくなるのか。
答え: 1 星（最小）→ 太陽系 → 銀河 → 宇宙（最大）；2 g は物体の質量と半径に依存する—月の方が小さく質量も少ないため、g は約 1.6 N/kg である；3 惑星—ほぼ円形；彗星—非常に離心率の高い楕円軌道；4 $r = 4.2 \times 10^7$ m、$T = 86\,400$ s；$v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ m/s ≈ 3.1 km/s；5 赤色巨星、その後白色矮星；6 表面温度—青が最も高温、赤が最も低温；7 (P) 絶対等級対温度（または色）；8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$；9 (P) 銀河の赤方偏移が距離とともに増加すること、および宇宙背景放射；10 (P) 銀河が遠いほど後退速度が速い—空間自体が膨張するため、後退速度は距離とともに増大し、光はさらに赤方へシフトする。