天体までの距離、銀河、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

• 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。
• 年周視差から幾何学的に距離をもとめる (『図録』第5編 [10] [B]「地球の公転」上側「年周視差」、 第5編 [15] [C]「恒星までの距離」左側「年周視差法」)
• 主系列星 (『図録』第5編 [16]「HR図」) のばあい、 スペクトル型から (HR図の主系列の関係で) 光度を知り、 みかけ の あかるさ との比較で距離を知る。 【この方法は「分光視差」とよばれることがある (第5編 [15] [C]「恒星までの距離」右側「分光視差法」) が、この用語はつかわないことにしよう。】
• 変光星、とくにケフェウス座δ [デルタ] 型変光星 (『図録』第5編 [19]「連星と変光星」[C] 「脈動変光星」]) の 変光周期から光度を知り、(あとは上と同様)。 その変光星との みかけの位置が近い星のうち、みかけの運動も似ている星は、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。) (超新星については『図録』 第5編 [18] [B] 「重い星の最期」)。
• スペクトル ([放射]のページ参照) 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。 そして、(あとでのべる)宇宙の膨張を前提とすると、視線速度から距離がわかる。
  • スペクトルから視線速度を知るしくみについては、 『図録』第5編 [19] [B]「連星」のうち「分光連星」のところに図解がある。 ただし、それは、連星 (相互の重力によって公転運動している星) の運動を知る話なので、 宇宙の膨張を前提として距離を知る話とは直接むすびつかない。

(参考) [外] [天体の距離] (理科年表オフィシャルサイト official.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。 秒は特定の種類の原子の特定の種類の振動によって定義されている。)
• 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 (parsec) (parallax second から。per sec ではない)。 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、『図録』の「年周視差」の図 (上にリンク) 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。

銀河

• (『図録』第5編 [20]「銀河系と銀河」)
• 天球上のみかけの星の分布
  • 明るい帯がある。「天の川 (あまのがわ)」「銀河」「Milky Way」「Galaxy」とよばれてきた。
  • (望遠鏡でみると) たくさんの星からなっている。
• 太陽系のまわりの星の3次元空間内の分布 (『図録』第5編 [20] [A] 「銀河系」のうち 「銀河系の構造」])
  • ひとつのまとまりが認識され、「銀河」 (固有名は「天の川銀河」) とよばれるようになった。
  • 3次元等方的(=あらゆる方向に同じようにひろがる)ではなく、2次元の平面に比較的集中した、円盤状になっている。 直径10万光年、厚さ1.5万光年ぐらい。
  • 円盤の中心部「銀河中心核」にとくに多数の星が集中している。
  • 太陽は中心から約 2.8万光年 離れている。
  • 円盤内では、星が相対的に集中した腕の構造がある。腕は渦巻き (spiral) 型をしている。
• 宇宙にはたくさんの銀河がある。 (『図録』第5編 [20] [B] 「銀河の分類」のうち「ハッブル分類」 など)

(トピック) 銀河中心部のブラックホール

• 天の川銀河をふくむ、多くの銀河の中心部には、 個々の恒星よりも巨大な (質量が太陽の数十億倍の) ブラックホールがあると 考えられている。 (『図録』第5編 [18] [Zoom up]「ブラックホール」のうち「超巨大質量ブラックホール」。)
  • 2019年、「M87銀河」の中心部にブラックホールがある証拠を示す画像がつくられた。 (ブラックホールそのものが出す光は見えないが、その周辺からとどく光の特徴から判断された。) この研究については、(2019年春の論文発表よりもまえに出た本だが) 本間 (2017)の本が参考になる。
    • 本間さんの専門は、電波観測による銀河系天文学。 とくに、VLBI (very long baseline interferometry、超長基線干渉計測) という方法による観測をしている。 地球上で遠く離れた電波望遠鏡によって観測された電波を、 位相(山・谷)の対応をみながらあわせて使うことにより、 地球の大きさの望遠鏡にあたる分解能を得るものだ。

宇宙の (「階層的」(?)) 構造

• 『図録』第5編 [21] 「宇宙の構造」
  • 上段の図: 太陽からの距離の対数目盛り (ただし左と右のページで尺度がちがう)
  • 太陽系
  • 近くの恒星、星団、(銀河系内の) 星雲
  • 天の川銀河、その近くの銀河 (例、アンドロメダ銀河)、その他いろいろな銀河
  • 銀河は空間に一様に分布するわけではなく、いろいろな規模で、集中するところ、まばらなところがある。
    • 銀河群 (図録 [21] [A]) ... 銀河 数十個
    • 銀河団 (図録 [21] [B]) ... 銀河 数百個、数千個
    • 宇宙の大規模構造 (図録 [21] [C])

宇宙の膨張 ... 「ハッブル・ルメートルの法則」

• (『図録』第5編 [22] [A] 「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。 (『図録』第5編 [22] [A] のうち「赤方偏移」、 「ハッブル = ルメートルの法則」)。
• 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。 (『図録』第5編 [22] [A] のうち 「宇宙の膨張」 の図) (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)

• 『図録』第5編 [22] [B]「宇宙の進化」
• 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。
• 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、電磁波 (光) がじゃまされずにつたわるようになる。 (『図録』第5編 [22] [B]「(3) 宇宙の晴れ上がり」
• このころ出た電磁波 (温度 3000 K の黒体放射に近いものと考えられている) が、宇宙の膨張によってうすまったものが、温度 3 K の黒体放射に近い電波として観測される (『図録』第5編 [22] [B] (3) の「宇宙マイクロ波背景放射」)
• 恒星が形成される。(『図録』第5編 [22] [B] (5) によれば big bangの「約3億年後」から、 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」) ... そこからの光が宇宙の年齢だけかかってここまでとどく。
  • 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。 これを「インフレーション」と言っている。 (『図録』第5編 [22] [B] の (2) から (3) のあいだ)
• (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。 その原因として「ダークエネルギー」 (『図録』第5編 [22] [Zoom up]) あるいは「暗黒エネルギー」(戸谷 2018 第9章の表現はこちら) が考えられている。

本の紹介

• 本間 希樹 [まれき], 2017: 『巨大ブラックホールの謎』 (ブルーバックス)。講談社。 ... 銀河の中心部に太陽の十億倍もの質量のブラックホールがあるという話題を中心とした解説。 著者の研究方法は天体からの電波を地球上の離れた複数の地点でとらえる VLBI (超長基線干渉計測)。 著者は2019年4月にニュースになった研究にもかかわっており、本書には2017年の時点でわかっていたことが書かれている。 [読書メモ]
• 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。... 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]