宇宙の科学 ２０１６年度 前期 数理科学科・情報理学専攻 林 青司 （物理学・素粒子理論） 1 講義内容（シラバスより） まず、身近な太陽と太陽系を理解することから始めて，宇宙にある様々な恒星やその 他の天体の誕生から死に至るまでの進化の歴史を学びます。また、銀河系とその進化、 そして宇宙の過去と未来について学びます。更に、素粒子と宇宙の関係についても簡 単に解説します。 最新の宇宙観測の結果にも言及しながら解説すると共に、出来るだけ多くのDVD等 の視聴覚教材を用いて、楽しみながら宇宙への理解を深めることを心がけます。 2 「宇宙の科学」 アナウンス ・個人HPに講義ノート(PDF)を掲載します（随時更新）： http://lab.twcu.ac.jp/lim → 左のリンク欄の「講義内容」をクリック → 『宇宙の科学』講義ノートをクリック ・講義中の私語は厳禁です。宜しく。 3 授業の進行 ・ スライド形式の講義ノートを用いる ・ できる限り多くの機会にオーディオビジュアルな媒体(ビデオ, DVD)を用いる ・ 質問は大歓迎 ・ 連絡先： ４３１３室 , limATlab.twcu.ac.jp (AT は@ に) 成績評価 ・ （抜き打ち、4回）出席状況 ＋ 期末レポート点 参考図書 ・ 「宇宙科学入門」 尾崎洋二著 (東京大学出版会) 4 １． 大きく変わる天文学と天体観測手段の変遷 1.1 宇宙(universe) への興味 宇宙： 我々のすむ世界（空間）全体 宇宙はどの様に生まれ、現在どの様で、未来はどうなって行くのか？ 古代からの人類の知的興味 近代科学の成立に大きな役割： コペルニクスの地動説(16世紀) → ケプラー の法則 → ガリレオの望遠鏡 → ニュートンの万有引力の法則 1.2 大きく変わる天文学 この半世紀ほどの間に宇宙科学（天文学）の対象がずっと広がった： 変光星、X線星、ブラックホール 等が新たに加わった それは、宇宙を見る``窓”が大きく広がったから。 それまでは、天体（星、彗星、、）は（光学）望遠鏡などで光（可視光） を用いて観測していた。 5 そもそも光とは何？ 光： 電磁波の一種 電磁波： 電気的振動、等が空間を伝わって行く現象（テレビの電波等） 因みに光速度 c は の様に、(真空中の) 誘電率 （波の基本的性質）： と透磁率 で与えられる。 波長と振動数は反比例する（波の速さ一定として） 例）海水の波 波の速さ v 振動数 f 波長 λ （v = f λ ：波の基本式） 海水 6 （電磁波の種類） 波長（ｍ） 電波 10－3 ～104 赤外線 10－6 ～10－4 振動数 可視光（光）（0.4～0.8）×10－6 紫外線 10－7 Ｘ線 10－10 γ線 ＜ 10－10 高 （放射性原子核のγ崩壊、素粒子の崩壊） （余談）可視光より紫外線の方が振動数 f が高く、光子（光の粒子、アインシュ タインが提唱）のエネルギー hf (h: Planck 定数) が大きい → 紫外線は肌に良くない ！ 7 20世紀後半になり、可視光だけでなく全ての波長領域での天体観測が可能に。 1.3 天体観測手段の変遷 ・ 肉眼で観測： 太陽、月、星 ・ 17世紀に望遠鏡を用いた観測（ガリレオ・ガリレイが創始。ニュートンによる 反射型望遠鏡の発明）： 月のクレーター、太陽の黒点、木星の4つの衛星 ・ 19世紀。写真を用いた観測（長時間の露光）： 暗い星も見える様に ・ 20世紀。可視光以外の電磁波を用いた観測 （N.B.） ← 注意書き 天体は様々な波長の電磁波を放射。しかし、地球の大気のため、 （主に） 可視光のみが地表まで届く ← 偶然ではなく、人類（生物）がその様に進化した。 地表での観測だけでなく、1960年代からは ロケット、気球、人工衛星 に観測機器を載せた観測が可能に： 大気圏外で、全ての波長の観測が可能に ⇒ X線天文学、赤外線天文学、etc. ・ 電磁波以外を用いた観測 特に神岡での「カミオカンデ(KAMIOKANDE, Kamioka Nucleon Decay Experiment)」実験： 小柴教授のノーベル賞の業績は超新星爆発により生じたニュートリノの検出 8 ⇒ 「ニュートリノ天文学」の創始 (Super - Kamiokande 実験) 検出器 (5 万トンの水タンク )に入って来たニュート リノは（ビリアードでの球の散乱の様に）電子を跳ね 飛ばす。 ⇒ 弾き飛ばされた電子はコーン状の光（“チェレン コフ光”）を発し、これがタンクを取り巻く光電子増倍 管で観測される。 ⇒ 跳ね飛ばされる電子の方向から入って来た ニュートリノの方向が分かる ニュートリノで“見た”太陽。 太陽中心からニュートリノ（太陽ニュート リノ）がやって来ることを初めて実証: “太陽のレントゲン写真” 9 1.4 天体の温度と電磁波の波長 星の表面は一般に高温。 熱せられた物体からは、その温度に特有の波長（色）の電磁波が放出される： 熱放射 熱放射の（絶対）温度と波長は反比例する （量子力学により説明される） → 波長から表面温度が分かる： ・ 可視光で見える星の表面温度は数千～数万度： 太陽、 恒星 （青っぽい星ほど温度が高い） ・ 電波、赤外線の場合は数度～数十度： 星間ガス、 宇宙背景放射（Cosmic Microwave Background Radiation ) 宇宙誕生時に満ちていた“光”が“Big Bang” で宇宙が膨張するにつれ 冷やされた。摂氏 －２７０度 (絶対温度で約3 度) ・ X線で見える天体の温度は1000万度～1 億度： 中性子星 (ブラック・ホール)、等 （N.B.） 絶対温度とは ? 摂氏 0度 －273 度 絶対温度 273 度 0度 10 2. 素粒子と宇宙 素粒子とは：全ての物質を構成する、それ以上分割不可能な粒子（最小の単位） （素粒子） （H2O） （素粒子） 11 宇宙の全て（？）の物質は クォーク: u, d 電子e (electron) および パートナーの ニュートリノ νe （電子ニュートリノ） という素粒子で構成されている (ニュートリノは原子の構成要素ではないが) レプトン（軽粒子): 素粒子はくり返し現れる ！ 世代 他の性質は全く同じだが質量（重さ）の違う３つの世代 がくり返し現れる（存在する）： (generation) クォーク ： ３世代の存在を理論的に 予言： 小林・益川 理論 （2008年度ノーベル物理学賞） レプトン ： 第１世代 第２世代 第３世代 質量大 12 素粒子には、この様に物質を構成する素粒子の他に、 ・ 素粒子の間に働く力を伝える粒子 ・ 全ての素粒子に質量を与える粒子（“神の粒子”）： ヒッグス粒子 もある。 (現在の素粒子像) アインシュタイン （量子力学） (Peter Higgs : 2013年 ノーベル賞) × “born on 4th July (2012)” at CERN 13 素粒子の様な最もミクロの世界のものが、何故、宇宙のような最もマクロ な対象に関わる（重要な働きをする）のか？ 現代的な宇宙論 ： 大爆発（Big Bang）宇宙論 (インフレーション宇宙論) ・誕生したての宇宙（early universe）は、全ての物質が非常に小さな空間 に押し込められたミクロで高温の世界 → 非常に高温（物質が激しく動き回る）であったので、陽子や中性子も ３個のクォーク（素粒子）にバラバラに分かれていた。 → クォークやレプトン、光子といった素粒子の“スープ状態”。 ・Big Bang によって膨張し、エアコンの原理と同じ理屈で冷えて現在の 宇宙になった（現在の宇宙の温度: 摂氏 －270 度） 14 素粒子に働く４つの力（４種類の相互作用 (interaction) ） ・ 重力相互作用（万有引力） ・ 電磁相互作用（電磁気力） (N.B.) 力の大きさの比較 ・ 強い相互作用 ・ 弱い相互作用 重力 ＜ 弱い ＜ 電磁 ＜ 強い 強い相互作用 強い相互作用は電磁相互作用より強いので、例えばヘリウムの原子核中の２個の 陽子の間に引力（“核力”という）として働き、陽子を束縛する（図） n He 強い力 p p 電気力 n 15 （強い相互作用による核融合、核分裂） 強い相互作用は原子核に作用する力 → 二つの原子核を結合させたりすることが 出来る。結合の際、原子核の質量の合計が減る（質量欠損）事が起こり、欠損した質 量に相当する大きなエネルギーが放出される 核融合： 二つの原子核が融合して、より重い別の原子核になる （水素爆弾） A+B→ C : 原子核反応 （化学反応： 2H2 + O2 → 2H2O） 核分裂： 原子核が分裂して、より軽いいくつかの別の原子核になる （原子力発電、原子爆弾） A→ B+C （N.B.） 普通、静止している物体はエネルギーを持たない、と思われている。 しかし、アインシュタインの相対性理論によると、静止していても E = mc2 (m: 物体の質量、c = 3 00000000 (m/s): 光速度) のエネルギーを持つ。 例えば、m = 0.25 (g) （“天使と悪魔”で盗難にあった“反物 質”の量）の場合、そのエネルギー E は、100ワットの電球が １時間に放出するエネルギーの約75000000 倍 16 弱い相互作用 典型例は“β崩壊”。 原子核の中には、放射線を出して（放射能）別の原子核に壊れてしまう（崩壊 する）放射性原子核が存在。放射線としてβ線を出す“β崩壊”は という崩壊。電子が放射線であるβ線の正体。 しかし陽子と中性子は実は素粒子ではなく、それぞれ３つのクォークで出 来ている： p → d d u u n u d β崩壊 は、素粒子であるクォークのレベルで見ると次の反応 （N.B.） 素粒子の世界では、粒子の生成・消滅が自由に起こる ！！ 17 太陽における核融合と太陽ニュートリノ 強い相互作用、弱い相互作用： 他の二つの力と違い、ミクロの世界のみで 現れ、日常生活では顔を出さない（知らなくてもすんでしまう）。 しかし、実際には我々が地球上で生活できるのは、この二つの相互作用の おかげ： 太陽中心で起きている核融合によって生み出される膨大な（熱）エネルギー （3.8×1026 (W)）によって太陽は輝いていて、この太陽光のおかげで地球上の 生物は生存出来ている。 強い相互作用 → 核融合 弱い相互作用 → 核融合の反応速度が遅く、太陽は“ゆっくり”長く 輝く → 地上の生活が安定して長く維持できる 18 （太陽中心部における核融合反応と太陽ニュートリノ） 太陽中心部は非常な高温で、核融合反応を起こしている、その反応は複雑だが、 結局、４個の1H（陽子）が融合して１個のヘリウム 4Heを生成する反応： ４ 1H → 4He + 2 e+ + 2νe 陽電子（電子の反粒子（後出）） 太陽の中心部で生成され地球に“降り注ぐ”ニュートリノを 太陽ニュートリノ (solar neutrino) と言う。 こうして、ニュートリノは原子の構成要素ではないが、この宇宙に沢山存在。 19 ニュートリノ（中性微子）についてのパズル “小さい”ながら、これからの素粒子理論、宇宙論のカギを握る粒子かも （１）素粒子の「標準模型」ではニュートリノは質量の無い粒子。 ⇒ クォーク、レプトンの中で、何故ニュートリノだけ？ （２）太陽ニュートリノ問題： 地球で観測される太陽ニュートリノの数が、理論的に予想される数の1/2 とか1/3 だけ。太陽ニュートリノはどこに消えた？ （３） 大気ニュートリノ“異常“： 大気ニュートリノとは、“宇宙線“（宇宙の四方八方から地球に飛来する粒子 の束。その正体はほとんど陽子P ）が大気にぶつかって、素粒子反応に よって生成されるニュートリノ。 20 宇宙線 （陽子P） 湯川のパイ中間子（u 地球 大気 スーパーカミオカンデ （岐阜県・神岡町） P(宇宙線) + P（大気） → π＋＋・・・・ π＋ → μ ＋ νμ e+ + νe + νμ 大気ニュートリノ νe ： （ νμ + νμ ） = 1：２ のはず しかし、スーパーカミオカンデ実験のデータによると、 ・上空から来るニュートリノについては予想どうり。 ・ 地球の裏側から来る ニュートリノについては、ミューオン・ニュートリノ （ νμ + νμ ） の数が予想の約半分 ！ ： “大気ニュートリノ異常“ (N.B.) 2015年度の梶田教授のノーベル物理学賞の対称業績は、この 大気ニュートリノ異常を発見し、それが“ニュートリノ振動” により説明 されることを示した事。 21 d） ニュートリノ振動 どちらのパズルも、ニュートリノが質量を持つ時に起きる“ニュートリノ 振動” （理論的には可能性は以前から指摘）によって説明可能。 量子力学（相対性理論と並ぶ、現代物理学の２本柱）によると、素粒子は粒子でありな がら、その存在は空間的に確率的に、ちょうど波の様に分布する。 うなり (beat)： 二つの、振動数がわずかに異なる音波を重ねると、その強弱（振幅）がゆっくりと 時間的に変化（振動）する。 ニュートリノが質量を持ち、その質量が世代によってわずかに異なると、うなりに 良く似た 「ニュートリノ振動」 を起こす。 （厳密には世代間の mixing も必要。） 22 大気ニュートリノ （ミューオン・ニュートリノ）の存在確率 1 0 ⇒ 大気ニュートリノ のニュートリノ振動 誕生してからの時間 νμ → ντ → νμ → ….. (ντ ：検出され難い → ニュートリノが消えた様に見える ! ) （N.B.） 1. 地球の裏側から来る大気ニュートリノは長い時間“飛行“するので時間がかかり ニュートリノ振動を起こす。 2. 標準模型 （ニュートリノは質量を持たないとしている） は完全には正しくない！ → 「標準模型を超える」素粒子理論の必要性 （参考： 「素粒子の標準模型を超えて」 林 青司 （丸善出版, 2015年）） 23 ３． 太陽と太陽系 我々の生命： 太陽が発する光（電磁波）のエネルギーで支えられている 地球は、太陽とその周りを回る“惑星”（Planet, “さまよう星”）、その衛星、 小天体（彗星、隕石、等）からなる 「太陽系 (solar system)」 の一員。 (N.B.) ・太陽系の8個の惑星： 水星、金星、地球、火星、木星、土星、 天王星、海王星 最近、冥王星が外れた ・太陽： 最もありふれた恒星 （太陽を探る ⇒ 恒星の性質を探る） 24 3.1 太陽 概観 半径： 約70万 (km) (地球の6300 (km) の110倍) 質量： 約2 ×1030 (kg) (地球の33万倍) ⇒ 平均密度： 1.4 (g/cc) で地球の5.5 に比べ4分の１程度 ⇒ 実は、太陽は地球と違い、巨大なガスの球 （固体ではない！） （∵） 太陽中心部で核融合反応により 3.8 × 1026 (W) (100 W 電球の発するエネルギーの4兆倍の1兆倍ほど) という膨大なエネルギーを放出 これを、太陽表面から光の形で放出： これが地上の（全ての）エネルギーの源 太陽光 → 植物の光合成 → 動物の食物 etc. （N.B.） 地球は太陽からちょうど適切な距離にある惑星。これより、近くても 遠くても表面が暑すぎ or 寒過ぎで生命が存在できない。 25 太陽の構造 1. 太陽核 2. 放射層 3. 対流層 4.光球 5. 彩層 6. コロナ 7. 太陽黒点 8. 粒状斑 9. 紅炎 ・太陽核で生成された核エネルギーは放 射層で外へ。対流層で表面に。 ・コロナ：皆既日食の時、真珠色の冠 （200 万度） ・黒点 (sun spot)： ガリレオが発見。 周りより温度が低く、磁場が強い 東 → 西 （太陽が自転） 26 太陽活動 黒点には強い磁場（磁石に力を与えるもの）が存在することが、太陽から の光の解析から分かった（“ゼーマン”効果を用いる）。 更に、ちょうど磁石にN, S 極が有る様に、隣り合う黒点もN, S のペアーで 現れる： 磁力線 つまり、黒点： 太陽表面から磁力線が出たり、入ったリしている、 磁場が強い点 27 太陽活動の11年周期 黒点の数が11年の周期で増えたり減ったりする。 黒点数が多い： 太陽活動（太陽の磁気的活動）が活発 （極大期） → 極大期には太陽フレア（太陽大気中の爆発）が発生。太陽から加速され た粒子群が地球に到来し、電波障害、オーロラ等を起こす （N.B.） ・ 11年で、黒点のN, S 極が逆転 → 極性まで考えると、活動の周期は 22年と言える。 28 3.2 惑星の大きさ (a) 地球 ほぼ球形。半径は約6400 (km) ← 赤道から極までの距離の1万分の1を1 (km) と定義 (b) 地球型惑星と木星型惑星 木星： 一番大きな惑星 地球に比べ、半径： 11 倍、質量：約300 倍 （→ 密度は地球より低い） 地球型惑星： 水星、金星、地球、火星 サイズが小さく、密度は高い （3 ～5） ←岩石質の表面 木星型惑星： 木星、土星、天王星、海王星 サイズが大きく、密度は低い (0.７～1.7) ←水素とヘリウムから成る大気 29 3.3 惑星の軌道 太陽と地球の（平均）距離： 1 天文単位 (AU) 、1億5000万(km) 光速度でも 8分ほどかかる ！ ⇒ 今見ている太陽は8分19秒前の太陽 惑星はほとんど全て同じ平面（黄道面）内を公転 （円に近い楕円軌道） （水星の軌道は傾斜角7°傾いている） （ボーデの法則） 太陽から惑星までの平均距離 a (AU を単位として) 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 n の値 0 1 2 4 5 6 7 ボーデの法則 0.4 0.7 1 .0 1.6 5.2 10 20 39 実際の距離 0.39 0.72 1.0 1.52 5.2 9.55 19.2 30.1 (N.B.) n = 3 の位置には小惑星帯 30 ボーデの法則： 経験則 だが、惑星形成の理論に示唆 3.4 惑星運動に関するケプラーの法則 1. 2. 惑星は太陽を一つの焦点とする楕円軌道上を動く 太陽と惑星とを結ぶ線分が一定時間に描く図形の面積は一定である （面積速度一定の法則） 3． 公転周期 T の2乗は軌道長半径 １． 焦点 a a の3乗に比例する： 一定 太陽 ケプラーの法則（経験則） ← ニュートンの万有引力の法則 （地上のリンゴから、月、惑星まで） 2. 遠日点 近日点 31 円運動と中心に引っ張る力（向心力） “ハンマー投げ” を考えてみよう。 点P でひもが切れたら （？） Ｐ Ｐ 円の接線の方向に飛んで行く Ｏ Ｏ 実際には、ひもから受ける力で中心方向に引っ張られ （向心力）、円運動の軌道に引き戻される ⇒ Ｏ 32 月の公転も同様： この場合、引っ張る力（向心力）は地球と月の間に働く引力 M 落下 月（人工衛星）は、地上のリンゴ同様に、 “地球に向かって落下している”!! E 万有引力の法則 （ニュートン） 全ての質量を持つ二つの物体間には、それぞれの 質量に比例し、物体間の距離の2乗に反比例する引力 が働く 33 回転している物体に働く遠心力と力のつり合い 遠心力 押し返す力 遠心力 （カーブを走行する車） （回転するバケツの中の水） 遠心力 M 遠心力と万有引力とのつり合い 万有引力 E （月の公転） 回転が速いほど遠心力が大きい 34 3.5 それぞれの惑星について 地球型惑星 （1）水星 大きさ（半径）： 地球の0.4 倍、 質量： 地球の0.055 倍。 小さな惑星 自転周期は長い間不明。レーダーで電波を当て、反射波の「ドップラー効果」 から 58.65 日 と分かった。 （ドップラー効果とは？） 例） 消防車のサイレンの音： 近づいて来る時： 音は高く、 遠ざかる時： 音は低くなる （音の高低 ＝ 振動数の大小） 波源が止まっている時 波源が動いている時 低い音 高い音 （波長と振動数は反比例） 35 自転 水星 低い振動数 大気が無い → 昼間 350 (℃), 夜間 －100(℃) 高い振動数 地球 （2） 金星 「宵の明星」、「明けの明星」： 太陽、月に次ぐ明るい天体 （最も明るい時には 1等星の100倍の明るさ） 半径、質量の点で地球に一番似ている。 厚い雲に覆われていて可視光では表面は見れない ソ連の探査機ベネラ9, 10 号が着陸 → 表面の気温 400 ℃、気圧は90気圧 大気： 二酸化炭素 (CO2) : 95%、 窒素（N2）： 5% 自転： 公転と逆方向 36 （3）地球 “水の惑星“ ： 水が存在し、生命を宿す 赤道傾斜角（公転面（黄道面）からの傾斜）＝ 23.5°→ 四季の存在 太陽からの距離が適当 → 生物の生存に都合の良い環境 （温度、酸素を含む大気、海洋（7割）） 地球の大気 （ 窒素（N2 ）： 78 %, 酸素（O2） ： 21%） の起源： 火山活動に伴う地球内部からの“脱ガス” 誕生時の原始大気にはO2 は含まれず → 直物（シアノバクテリア）の光合成により、CO2から作られた。 23.5° 太陽 黄道面 北半球の冬 地球 北半球の夏 （ 自転軸） 37 （地球の内部構造） 中心にコア（核）、それを取り巻くマントル、表面の地殻 1：内核 2：外核 3：下部マントル 4：上部マントル 5：地殻 6：地表 核： 金属質 （鉄、ニッケル） マントル： 岩石質の粘性流体 地殻： 岩石質 Wikipedia 38 (4) 火星 地球の直ぐ外側を回る → 地球に近い天体として古くから生命の存在の可能性が疑われて来た ・自転周期： 24時間37分、 赤道傾斜角： 約25° → 地球に似ている 季節変化がある ・大気： CO2 を主成分とする。しかし、気圧は地球の1000分の6 で薄い。 ・太陽系最大の火山： オリンポス山 （高さ25km, 直径600km） ・現在の表面には水は無い。しかし、火星探査機による調査で、昔水が存在 したと思われるいくつかの証拠 → 過去には大量の水？ 地球外生命 ？ 木星型惑星 (5) 木星 ・自転周期が9時間50分と、大きい割に速い → 遠心力で赤道部分が膨らんでいる （ガス惑星ゆえ） 39 ・大気の組成： 水素、ヘリウムが主 （太陽と似ている） ・内部構造： 中心に「地球型惑星」と同様の岩石と鉄でできた核。 それを水素のガスの層が取り巻いている。 ・衛星： 多数ある（登録番号の付いたもので49個）。 4個の大きな衛星 （ガリレオ衛星： イオ、エウロパ、ガニメデ、カリスト）。 ボイジャー（惑星探査機）がイオでの火山噴火を観測 ( http://www.asashi-net.or,jp/ ) （インターネット望遠鏡による実際の写真） 40 (6) 土星 ・ 太陽系で2番目に大きい（半径は地球の約10倍）。 ・ リング（環）を持つ： 直径数センチの氷片が多数円盤状になって土星 の周りを公転 ・ 多数の衛星。その一つのタイタンは大気を持つ。 (7) 天王星 ・昔から知られてた５個の惑星以外で最初に発見（1781年。ウィリアム・ ハーシェル） ・赤道傾斜角97.9 °で、ほぼ“横倒し”で自転。 ・11個のリング（環）がある： 1977年に5個が発見（“星食”の際に）。 その後惑星探査機で計11個発見 (8) 海王星 他の惑星と違い、その存在が理論的に予言された！ 天王星の軌道が“ふらついている”ことが分かった → 未知の天体による引力（万有引力）？ → ロジェ・ルベリエが天体力学を用いて未知の惑星の位置を計算（1846年） → ヨハン・ゴットフリート・ガレが、予測された位置に新惑星を発見。 「天体力学の勝利」 ！ 41 3.6 太陽系形成のシナリオ では、宇宙の歴史の中で、我々の「太陽系」はどの様に形成されたのであろうか？ （現在のシナリオ） 星の存在しない空間は全くの真空ではなく、希薄なガス（1 cc 当たり1 個程度） が存在：星間ガス。 星間ガスの密度の濃い所を“星間雲”という。 ・ 収縮する星間雲のコアに原始太陽が誕生 ・ 原始太陽を取り巻く回転するガス円盤（“原始太陽系円盤”）が出来る （星間ガスの主成分である水素、ヘリウムは気体に、それより重い元素は 個体微粒子（塵）になっている） 42 （塵の層から生まれた塊） （ http://dricomeye.net/02_kenkyu/image/kenkyu071022_pop2.html ） 43 (N.B.) 微惑星が衝突、合体を繰り返して地球型惑星が形成。 → 原始地球では、微惑星が次々に地球に落下していた シューメーカー・レビー第9彗星の木星への衝突（1994年）はこの様なプロセスの一つ 4. 恒星の世界 恒星： fixed star の訳語。“動き回る”太陽、月、惑星に対し、天球上に固 定されている、という意味。 恒星の配置： 星座（オリオン座、カシオペア座、。。） これから星 ＝ 恒星 としよう。 恒星は ・太陽と同じように自ら発する光で輝いている ・天球上に固定されている様に見えるのは、はるか遠くにあるから（実際 の距離はまちまち） ・実際には、少しずつ位置を変えている（星の固有運動(proper motion)） → 星座の形も時間が経つにつれて、少しずつ崩れていく 44 4.1 星までの距離 天体までの距離： 天文学で最も基本になる量。 その測定法をみてみよう。 (1) 太陽近傍の星の場合 「三角測量」の原理を用いる。 星が太陽と地球を見込む角度（秒で表す）： 年周視差 (π) 地球から星までの距離は年周視差に反比例。 年周視差が1 の時の星までの距離 ＝ 1 パーセク (pc) ππ → 星までの距離 (N.B.) 1 (pc) = 3.26 （光年） 1 光年 ＝ 光が一年かかって到達する距離 太陽 地球 45 (2) 遠くの星の場合 「距離のはしご(distance ladder)」 の原理を使う 年周視差を（三角測量）用いて測れる最も遠い星： 国立天文台の 「VERA」プロジェクト（電波望遠鏡を用いる）により観測された 5 (kpc)。 それ以上遠い星の場合はどう測るか？ 既に距離の分かっている星について特定の性質を見つけ（例えばセファ イド変光星の周期と光度の関係）、その性質を用いて、距離の知られて いない遠くの星の真の明るさ（絶対等級）を推定し、それと見かけの明る さとの比較から、その天体までの距離を求める。この操作を繰り返す。 ちょうど「はしご」を使って、一歩づつ上に上がって行く感じなので、この 原理を 「距離のはしご」 という。 46 4.2 星の明るさ ・等級で表す： 1等星、2等星、etc. ・等級が大きくなる → 星は暗くなる 全天で最も明るい星10数個が 1等星 肉眼で見える最も暗い星が 6等星 ・5等級小さく → 100倍明るく 1等級小さくなると明るさは 2.5 倍に 見かけの等級と絶対等級 どんなに明るい星でも、地球から遠くにあると暗く見える。電球の光と同じで10 倍離れると、明るさは 100分の1になる（距離の2乗に反比例） → 5等級大きく ・地球から見た星の明るさ： 見かけの等級 ・その天体を10 pc （32.6 光年）の距離に置いたとした時の明るさ： 絶対等級（天体が放出するエネルギーを表す） 47 いくつかの天体の等級 （見かけと、絶対） 見かけの等級 太陽 ポラリス（北極星） アンタレス 絶対等級 －26.7 ＋4.8 ＋1.97 －3.64 ＋1.09 －5.18 4.3 星の光度 星の絶対等級： 星の放出するエネルギーを反映 星の表面から単位時間に放出される（光（電磁波）としての）エネルギー： 星の光度（luminosity） L 光度は星の表面温度（と表面積）により決まる： L はT4 に比例する （Ｔ： 絶対温度。－273℃ = 絶対0度。 48 シュテファン・ボルツマンの法則） 4.4 星の色と表面温度 星の色（赤っぽい星、青白い星）は星の表面温度で決まる。 量子力学（相対性理論と並ぶ現代物理学の柱）によると、星の 発する光（熱放射）の波長 λ （強度の一番強い）と表面温度T は 反比例する 例えば、太陽の場合 λ = 5×10-7 ( m) = 0.5 (μm) ← 可視光 これから T = 5800 度 と分かる。 表面温度の高い星ほど波長は短く（振動数は高く）： 青白くなる 49
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