天体までの距離、宇宙の膨張、宇宙のはじまり

天体までの距離はどのようにしてわかるか

• ([(*) 図表 11ページ「宇宙の距離はしご」])
• 電磁波の到達時間。(電磁波の速度は光速で定数なので、距離がわかる。)
  • 能動的に電磁波を出して、反射してくるまでの時間を測定する。レーダーの原理。
  • 天体力学によって時刻が予測できている現象にともなう電磁波を観測して時間を測定する。
• 地球上に基線をおいた三角測量のような方法で幾何学的に距離をもとめる。 (地球から火星までの距離をこれで知り、間接的に地球から太陽までの距離がわかった。)
• 年周視差から幾何学的に距離をもとめる ([(*) 図表 53ページ「地球の公転」[3]「年周視差」]、 [(*) 38ページ [4]「恒星の距離」の「年周視差」]) ... 地球の公転軌道を基線とした三角測量のようなもの。
• 主系列星 ([(*) 図表 1章 40ページ [1]「HR図」])について、 スペクトル型から(HR図の関係で)光度を知り、 みかけ の あかるさ との比較で距離を知る。 (図表 38ページ [4] 「恒星の距離」で「分光視差」として説明されている方法)。
• 変光星 (時間とともにあかるさが変わる星、図表 45ページ [2]「変光星」)のうちの ケフェウス座 δ [デルタ] 型変光星 ([(*) 図表 45ページ [2 B]「ケフェウス型変光星」])の 変光周期から光度を知り、(あとは「分光視差」のばあいと同様)。 他の星のうち、みかけの位置も固有運動も近い星は、実際の位置も近いと考える。
• ある種類 (I a型)の超新星は最大光度が一定と考えられている。 (あとはケフェウス型変光星のばあいと同様)。
• スペクトル ( [(*) 図表 39ページ [6]]、 [(*) 同 [7]])の 吸収線あるいは輝線の波長のずれから、ドップラー効果の原理で、視線速度がわかる ([(*) 図表 1章 44ページ [1 A]「分光連星」] のところに、連星のばあいについての説明がある)。 そして、(つぎにのべる)宇宙の膨張を前提とすると、視線速度から距離がわかる。

(参考) [外] [天体の距離] (理科年表オフィシャルサイト rikanenpyo.jp)

距離の単位

• メートル。(現在の正式の定義は、真空中の光の速さを定数として、秒からみちびかれている。)
• 光年。光が(真空中を) 1年のあいだに進む距離である。 真空中の光の速さは定数なので、それと、1年 (地球の公転周期)がなん秒かの知識をつかって、メートルに換算することができる。
• パーセク (per sec, pc)。 年周視差が1秒角 (1度の(60×60)分の1、円周の(360×60×60)分の1)になる距離。 太陽・地球間の平均距離(いわゆる「天文単位」) の (360×60×60 / 2 π) 倍である。 (なぜそうなるかは、 [(*) 図表 1章 38ページ [4]「恒星の距離」の「年周視差」] の図を見ながら考えてほしい。) 1パーセクは約 3.262 光年にあたる。
• 絶対等級の定義に出てくる標準の距離は、10パーセクである。

宇宙の膨張 ... 「ハッブル・ルメートルの法則」

図表 1章 10ページ「宇宙の膨張」

• アインシュタイン (Einstein) が1915年に示した一般相対論のもとで、宇宙の膨張は、理論的にありうることである。
• 観測事実から定量的にしめしたのは、ルメートル (Le Maître、ベルギー)の1927年の論文、ハッブル (Hubble, アメリカ)の1929年の論文。後者がひろく知られた。
• とおくの銀河は、スペクトル線が長波長(低周波数)側にずれている。距離がとおいほど、ずれが大きい。 これは音のばあいのドップラー効果と同様に、 光源と観測者が視線方向にとおざかっており、 距離がとおいほど後退速度が大きい、と解釈できる。 ([(*) 図表 10ページ [2 A]「赤方偏移」]、 [(*) 同 [2 B] 「ハッブルの法則」])。
• 解釈: 宇宙は膨張している。
  • 銀河どうしの距離がはなれるのであって、それぞれの銀河あるいは天体の大きさ(長さ)が大きくなるわけではない。 天体や銀河を構成する物質は重力などによってむすびついており、重力定数がかわるわけではないので。 ([(*) 図表 10ページ [1] 「宇宙の膨張のしかた」]) (風船の表面の模様がふくらむのではなく、風船に乗ったアリどうしが離れていくイメージ。 ... 戸谷 2018 第3章58ページ)

宇宙のはじまり ... "big bang" (ビッグ バン)

図表 1章 8-9ページ 「宇宙の進化」

• [(*) 図表 8ページ [1] 「宇宙の変遷」]
• 宇宙のはじまりは、いまから138億年まえ(と考えられている)
• 当初は密度が非常に大きく、温度も高かった。
  • 当初の黒体放射が、宇宙の膨張によってうすまったものが、約 3 K の背景放射として電波で観測される ([(*) 図表 9ページ [3]「宇宙背景放射」])。
• 陽子、電子などが形成される。
• ヘリウムなどの原子核が形成される。(ただし、現在ある量の大部分は恒星ができてからできた。)
• 陽子のまわりを電子がまわる水素原子が形成される。 自由電子がわずかになり、光がじゃまされずにつたわるようになる。 ([(*) 図表 8ページ [2] 「宇宙の晴れあがり」])
• [(*) 図表 9ページ [1] 「宇宙の変遷」のつづき]
• 恒星が形成される。(図表9ページによればbig bangの「数億年以内」、戸谷 2018 の 139ページによれば1億年後)
• 恒星の集団である銀河が形成される。

宇宙の大きさ

• 観測可能な宇宙の限界 (「宇宙の地平線」)
  • 宇宙の年齢が138億年なので、138億光年か?
  • 宇宙が膨張しているので、464億光年 (戸谷 2018 第1章 21ページ)。
• 実際の宇宙のひろがりは、これよりもけたちがいに大きいと考えられているが、数量としてはわからない。

宇宙の膨張速度は一定でなかった ... 「インフレーション」理論

• 宇宙の膨張速度が一定として、理論でみちびかれる宇宙のすがたにくらべて、 現実の宇宙のほうが、一様性がたかい。
• Big bangのごく初期に、膨張速度が速い段階があったとすれば、説明できる。 (図表 8ページ [1]「宇宙の変遷」の上の図の左端付近に模式的にしめされている)。
• (初期の「インフレーション」とは別に) 現在も宇宙の膨張速度はいくらか加速しているとみられる。 その原因に関する説として、宇宙にはまだ物質あるいはエネルギーとして検出されていない 「ダークエネルギー」(図表の表現) あるいは「暗黒エネルギー」(戸谷 2018 第9章の表現)がある、という考えがある。 (図表 11ページ [3 B] 「ダークエネルギー」)。

本の紹介

• 戸谷 [とたに] 友則, 2018: 『宇宙の「果て」になにがあるのか』 (ブルーバックス B2066)。講談社。{板倉図書館 ブルーバックス} ... 宇宙論とそれに関連する観測についての入門読みもの。 [読書メモ]
• 戸谷 友則, 2021: 『爆発する宇宙 -- 138億年の宇宙進化』 (ブルーバックス B2175)。講談社。{板倉図書館 ブルーバックス} ... (わたしはまだ読んでいないが、この回の授業に関連する話題のはず。)