天文学覚え書き

 明けましておめでとうございます。今年もよろしくお願いします。2016年一発目の記事は初日の出的に太陽についてです。理科の単位取得もいよいよ折り返し、それと同時に漫画も描けたらな、と思っています。
 しっかし天文学は現役時代も鬼門だったんですが、やっぱり難しい!理科の中でもトップクラスに数学的なセンスが問われる分野なんじゃないでしょうか。この宇宙世紀、君は生き残れるか??

太陽系
太陽とその周りを公転している天体の集まりのこと。

天文単位(AU)
太陽~地球の距離1.5億キロメートルを1天文単位としている。
太陽から太陽系で最も外側にある惑星の海王星までの距離は30天文単位であるが、太陽系自体はもっと広く、海王星の外側にはエッジワース・カイパーベルト(50天文単位)、さらにその外側にはオールトの雲という、冥王星をはじめとする太陽系外縁天体(TNO)が存在するエリアがあり、それを含めると太陽系の大きさは1万~10万天文単位と考えられている。

太陽系の誕生と形成
46億年前、ガス(主成分は水素とヘリウム)や塵などの星間物質が収縮して太陽系は出来た。太陽だけではなく、地球をはじめとする太陽系の惑星もほぼ同時期にできたとされている。
まず星間物質が集まって収縮して中心部に原始太陽ができ、残りの星間物質は回転を続けながら平たい円盤状に広がり原始太陽系星雲になった。
このような星間物質の中で大きめの塵は、衝突や合体を繰り返し、直径1~10キロメートルの微惑星になり、この微惑星が衝突や合体をして原始惑星ができた。
この原始惑星がさらに衝突、合体して惑星になった・・・雪だるまか。

太陽
太陽系のすべての質量の99.8%を占める恒星。
明るさは見かけの実視等級で-27等級。
半径は約70万キロメートル。
質量は2.0×1030キログラム。

地球から見ると満月とほぼぴったりの大きさに見えるが、実際は地球の109倍の大きさがある。
さらに、その質量は、地球の質量のなんと33万倍である。
なんか、すごい大きい気がするが、実は質量は長さの3乗なので、109の3乗=130万倍になるはずである。これは太陽が地球よりも軽い物質で出来ているからである。

太陽の組成
可視光線をプリズムに通すと、光は色(波長)によって屈折率が異なるため、虹のように分光する(波長が短いほうが屈折率が大きい)。
この時できる光の帯をスペクトルというが、太陽放射のスペクトルには、ところどころ細くて暗い線(吸収線)が入っている。
この線はフラウンホーファー線と呼ばれ、太陽の大気に含まれる元素の種類と存在量を調べる手がかりになる。
元素には種類によってそれぞれ特定の波長の光を吸収する性質があるので、太陽大気の中にある元素が吸収する波長の光は地球にまで届かない。これがフラウンホーファー線のできる原因である。
これによれば、太陽の93%は水素で出来ており、残り7%はヘリウムであることがわかる。つまり太陽の組成は、木製型惑星と非常に似ている。

光球
可視光線として見られる太陽の表面で、太陽の表面~深さ500キロメートルほどの薄い層である。
太陽の表面温度は6000Kだが、その明るさは円の中心から周辺に行くに従って暗くなっていく(周辺減光)。
また、光球には太陽の対流活動によって出来る、どことなく細胞っぽい、小さなつぶつぶの模様(粒状斑)がある。粒状斑の大きさは1000キロメートルほどあり、できて5~10分で消える。

黒点
光球の表面にある黒い点。
中央部は暗部、周辺の薄暗い部分は半暗部と呼ばれる。
黒点の寿命は10日ほどで、黒点の数が多いと太陽の活動は活発に、少ないと穏やかになる。
黒点は0.2テスラほど(1テスラ=10000ガウス)の強い磁場を持ち、内部にある高温のガスの浮上を妨害してしまう。そのために温度が4000Kと周囲よりも低く、黒く見える。

白斑
黒点とは逆に、光球よりもさらに600K温度が高い斑点。黒点のそばや、光球の淵にある。

彩層
光球の上部を取り巻く数千キロメートルの大気層で、皆既日食の時には赤く見える。

コロナ
彩層のさらに外側に広がる薄い大気の層。光球よりもはるかに熱く100万~200万Kにもなる。そのため水素やヘリウムの原子から電子が分離してイオンになっている。
この時できるイオンや電子は太陽風として周囲に放たれる。
コロナは皆既日食の際には白っぽい灰色(真珠色)に見える。

プロミネンス(紅炎)
彩層の外側から吹き出している、高さ数十万キロメートルに達する巨大な炎的なもの。
コロナの中に浮いているものもある。
長期間安定しているもの(静穏型)と、短い時間で形が崩れてしまうもの(活動型)の2タイプがある。
またプロミネンスによって太陽の表面にできる影はダークフィラメントと呼ばれる。

中心部
太陽の中心部では核融合反応が起きていて、その温度は1500万Kにものぼる。
核融合反応は化学反応と異なり、反応の前後で元素が変化し、その時失われた質量が莫大なエネルギーとして放出される。

フレア
太陽活動が活発なときに発生する太陽表面での爆発。彩層やコロナが急激に明るくなり、X線や太陽風が放出される。
この時のX線は地球の大気に影響を与え、短波通信に障害を引き起こす。これをデリンジャー現象という。

太陽風
コロナのイオンや電子といった荷電粒子が宇宙空間に放出したもの。
この太陽風が地球磁気圏に急激な変化を与えることを磁気嵐という。
磁気嵐の電波障害は通信衛星の発達によってかなり解消されているが、それでもGPSや人工衛星の誤作動を引き起こす可能性があるので、太陽活動は宇宙天気予報によって情報公開がされている。

太陽系の天体
太陽系の惑星には、岩石でできた地殻・マントルと、金属でできた核を持つ地球型惑星(岩石惑星)と、表面が厚いガスで覆われ、その下に高い圧力で液体になった金属水素、そして中心部に岩石と氷でできた核がある木星型惑星(巨大ガス惑星)、そして、表面がガスで、その下に水やメタンなどの氷、岩石と氷の核を持つ天王星型惑星(巨大氷惑星)の三つのタイプがある。

水星
太陽系の惑星の中で最も大きさと質量が小さい。
大気や水が存在しないため、表面には古いクレーターが侵食されずにそのまま残っている。
昼間は430℃、夜間は-170℃と気温の日較差が非常に激しい。これは大気がない上に、彗星の自転周期が59日もあるからである(昼と夜の時間が長い)。
また、数百キロメートルに渡る断崖は、水性の冷却に伴う収縮、もしくは太陽の潮汐力でできたシワだと考えられている。

金星
大きさは地球とほぼ一緒。
しかし大気のほとんどが二酸化炭素で分厚く、90気圧もある。二酸化炭素の温室効果で金星の表面は460℃に達する。
また、惑星は一般的に自転と公転の向きが同じなのだが、金星ではバックスピン的に逆回転をしている。

地球
大きさは以下の通り。
半径が6400キロメートル。
直径が12700キロメートル。
円周は40000キロメートル。

太陽系の惑星で唯一ハビタブルゾーン(生息ゾーン)という領域に入っているため、水が液体の状態で存在している。これよりも太陽よりだと水は水蒸気に、外側だと水は凍ってしまう。
ちなみに月もこのゾーンにあるのだが、質量が小さいために、大気や水を重力で表面にとどめておくことができない。


地球のたった一つの衛星。
半径は地球の4分の1で、重力は6分の1。
原始地球の末期(45.5億年前)に火星くらいの大きさの天体が地球にぶつかり、その時の破片が再びくっついて、1ヶ月程の突貫工事で作られた(ジャイアント・インパクト説)。
そのため、月には誕生時の隕石の衝突によってできた多数のクレーターがあり、その後このクレーターを月の内部から噴出した黒い玄武岩質溶岩が埋め、クレータがー少ない平坦な部分()を作った。
したがって、月の海は地球から黒く見え、クレーターが多いエリア(高地)は白く見えるのに注意。

火星
大きさは地球の半分くらい。地球と同様に自転軸がナナメに傾いているので季節が存在する。
金星同様、大気の主成分は二酸化炭素だが、大気圧は地球の100分の1しかない。
現在、火星に液体の水は発見されていないが、河川の跡があることからかつてはあったんじゃないかと言われている。また巨大な火山や渓谷がある。

木星
太陽系最大の惑星。表面には縞模様やうず模様が見られ、特に大きいうずは大赤斑と呼ばれる。表面温度は-150℃と冷たい。
60個以上の衛星を従えている。もうちょい質量があったら恒星になれた可能性がある。

土星
太陽系で二番目に巨大な惑星だが、平均密度が最も小さく、水の密度よりも小さいので、こんなにでかいのにプールに浮く。
望遠鏡でもわかるくらい巨大なリングを持っているが、その厚さは数百メートルほどで、幅(7万キロメートル)に比べて非常に薄い。このリングは氷をメインに岩のかけらが集まったものである。
また偏平率が非常に大きいため、見るだけで楕円形であるのが分かる。
60個以上の衛星を従えている。

天王星
太陽系で三番目に大きい惑星。なにげにかなりデカイ。
表面温度は-200℃以下で非常に冷たい。
自転軸は垂直に傾いており、なんと横倒しの状態で自転をしている。

海王星
大きさや構造は天王星と似ている。地球を超えるほどの綺麗なブルーの星だが、これは海があるのではなく大気に含まれるメタンによるもの。

小惑星
アステロイド。
主に火星と木星の間(メインベルト)を公転している岩石のこと。現時点で50万個も発見されている。ほとんどは直径10キロメートル以下の大きさだが、最大の小惑星のケレスは直径が1000キロメートルもある。
小惑星は太陽系ができたころの微惑星の残骸で出来たと考えられるため、ここからサンプルを採取できればどのように太陽系ができたのかを知る重要なヒントになる。

太陽系外縁天体(TNO)
トランス・ネプチュニアン・オブジェクト。
海王星の軌道の外側にある天体をまとめてこう言う。
メインベルトの小惑星と異なり、こちらは氷を主成分とする小天体。直径100キロメートル以上のものでも現在1000個以上発見されていて、準惑星に降格してしまった冥王星もここに含まれる。というか冥王星よりも巨大な天体も見つかっている。
カロン、ニクス、ヒドラ、エリスなど冥界めいているというか、禍々しい名前のものが多い。

彗星
コメット。
楕円軌道を持つ小天体のうち、太陽に接近すると塵の尾を発生させるもの。
彗星は氷がメインで、ほかに岩石の塵を持っている。大きさは直径数キロメートルほど。
太陽に近づくと温まって、表面からガスを吹き出し先端は白く輝く。この部分をコマという。この時に噴射したガスや塵、イオンは、太陽風に吹かれて、太陽と反対側に伸びる。

隕石
メテオライト。
主にメインベルトの小惑星の破片が地球やほかの天体に接近、衝突したもの。
大きいものがぶつかるとクレーターができる。
アリゾナ州のメテオクレーターからはキャニオン・ディアブロという鉄隕石が採取され、鉄とニッケルの混合酸化物や、衝撃の際の圧力でできた鉱物(コース石)が発見された。
クレーターは世界で180個程度見つかっている。

太陽の未来
恒星の最期は超新星爆発でチュドーンというイメージがあるが、太陽はそこまで質量が大きな星ではないので、その最期はそこまでドラマチックではない。
これが太陽の10倍になると超新星爆発の後に中性子星(パルサー)に、30倍以上になると超新星爆発の後にブラックホールになる。

主系列星
収縮した原始星が1000万Kまで温度を上昇させると、中心部で核融合が始まり光り輝く。この状態を主系列星という。また、主系列星になる直前の星はTタウリ型星という。
核エネルギーは星を膨張させる力があるため、星を収縮させる重力とつり合い、収縮は止まり、星の明るさや半径はほとんど変化しない。
恒星は一生のうちで最も長い期間を、主系列星の状態で過ごし、現在の太陽もこの状態である。一般的に、恒星の寿命はこの主系列星の期間をさし、太陽では100億年だと考えられている。つまり、太陽(46億歳)は、あと50~60億年は大丈夫。長生き。

赤色巨星
核融合では、水素がどんどんヘリウムに変わっていくので、中心部にヘリウムが溜まっていく。こうなると水素による核融合が起こらなくなり、中心部は重力に負けて収縮していく。
しかし、今度は中心部の外側で水素核融合が始まり急激に膨張していく。
すると表面積が大きくなるため、表面温度は6000Kから3000Kに低下し、反面、明るさは現在の1000倍になる。
また、収縮した中心部では増大した原子の落下エネルギーによって温度が上がり、1億Kを超えると今度はヘリウムが核融合を起こし、炭素や酸素を作るようになる。
この段階になると、赤色巨星全体もいったん収縮するが、やがてそのヘリウムも使い切って、炭素や酸素の核ができると、再び膨張する。
最終的には太陽は現在の200倍まで膨張し、水星や金星を飲み込み、地球のすぐ近くにまでやってくる。この頃には地球は太陽に吹き飛ばされるか、太陽の熱によって蒸発している。悲しい。

惑星状星雲
中心部のヘリウムを使い切ると核融合は停止して、赤色巨星の外側のガスは宇宙空間に流出する。このときのガスは、星間物質となり、再び星間雲を作る材料としてリサイクルされる。
惑星状星雲という名前がつけられているが、丸い形(球体)だけではなく、リングやリボン、砂時計などいろいろな形が存在する。

白色矮星
宇宙空間に外側のガスが全て流出してしまうと、中心部には現在の太陽の大きさの100分の1程の高密度で小さな星が残る。これを白色矮星という。
白色矮星は核融合を停止しており、徐々に冷やされて暗くなっていく。こうして太陽は死んでしまう。

系外惑星
太陽系以外の惑星のこと。地球以外に知的生命体がいそうな惑星ってあるのかな(SETIプロジェクト)という好奇心もあるのか、4000個近く発見されている。
間接的な方法で検出してきたが、観測技術が進歩して直接観測も可能になってきた。
系外惑星の検出方法としては、惑星の重力によって変化する中心の星からの光の波長を調べるドップラーシフト法(共通重心の関係から惑星の質量のあたりがつく)、惑星が中心の星を横切る際の明るさの変化を調べるトランジット法(惑星の大きさのあたりがつく)などがある。

ホットジュピター
木星のように巨大な惑星なのに、中心の恒星(太陽)のすぐ近くの軌道を回るタイプ。

エキセントリックプラネット
彗星のような離心率の大きい楕円軌道を持つ惑星。

銀河系(天の川銀河)
多数の恒星と星間物質からなる大集団を銀河というが、その中でも太陽や地球を含む銀河は銀河系という。銀河系は恒星が約2000億個もある。
銀河系は中心部のバルジ、ここから伸びた円盤状のディスク、ディスクの外側を取り巻くハローで構成されている。

①バルジ
バルジとは「ふくらみ」と言う意味で、その名の通り、中心部の膨らんでいる部分。
恒星が集中しており半径は1万光年。
ちなみに1光年は9兆5000億キロメートルである。数がでかすぎてよくわからん。

②ディスク(円盤部)
バルジから伸びた円盤状の部分。半径は5万光年。
銀河系内の大部分の恒星がここにあり、若い星の集まりの散開星団や多くの星間物質がある。
太陽もディスクにあり中心部から約2万8000光年の距離にある。
また、天の川は地球からディスクを眺めたもので、したがって一年中見えるのだが、夏に天の川が七夕などで取りざたされるのは、地球が夏にバルジの方向を向くからである。
逆に冬はバルジの反対側を向くため、見える星は少なくなり、冬の天の川は細くて暗い。

③ハロー
こんにちは、ではなく、ラテン語で「後光」という意味。ディスクを球状に取り巻くエリア。半径は7.5万光年。
ここには100億年以上の歳をとった星の集団の球状星団がまばらにある。

銀河
銀河系は、約20万光年の場所に大マゼラン雲と小マゼラン雲という小型の銀河を従えているが、その銀河系もさらに230万光年の距離にある銀河系よりも巨大なアンドロメダ銀河に従えられている。
アンドロメダ銀河は直径が600万光年もあり、銀河系の他に40個以上の銀河を抱えている。このグループを局部銀河群と言う。
また、この局部銀河群よりもさらに巨大な、数百~数千もの銀河が集まったグループは銀河団と呼ばれ、アンドロメダ銀河率いる局部銀河群も、おとめ座銀河団に従えられている。
しかし、宇宙にはまだ上があり、数億光年もの大きさがある超銀河団は銀河群や銀河団もまとめてしまう。

太陽系<銀河系<アンドロメダ銀河(局部銀河群)<おとめ座銀河団<超銀河団

活動銀河
中心部から非常に強い電磁波を放射する銀河のこと。強さに応じて以下の三つがある。

クェーサー
非常に遠く(=古く)異常なまでに明るい核を持つ。
そのエネルギー源は、ブラックホールに落ちた物質が解き放つ重力エネルギーだと言われている。

セイファート銀河
クェーサーよりは放射エネルギーは小さいものの、異常な明るさと特徴的なスペクトルを持つ光を放つ銀河。その多くは渦巻き状で、アメリカの天文学者のセイファートが発見した。

電波銀河
通常の銀河に比べて強い電波を放射している銀河。多くは楕円の形をしており、中心核の活動は激しくガスをジェット噴射しているものもある。

宇宙
宇宙には銀河が一様には分布しておらず、銀河がたくさんあるエリア(グレートウォール)と、ほとんどないエリアがある。この銀河の分布構造を泡構造という。

宇宙の誕生
1929年にアメリカの天文学者のエドウィン・ハッブルは、ほぼ全ての銀河は銀河系から遠ざかっていること、つまり宇宙全体は膨張していることを発見した。
逆に言えば、かつての宇宙は、非常に小さく超高温・高密度の状態だったことになる。このような火の玉のような状態をビッグバンという。
宇宙は137億年前のビッグバンによって急膨張を開始し、徐々に温度を低下させた。
ビッグバンから10万分の1秒後に宇宙空間にできた陽子や中性子は、その数分後にはくっついて原子核になった。
ちなみに、ハッブルは形による銀河の分類や距離の測定なども行っているが、その才能は天文学だけにとどまらず、学生時代は陸上競技やボクシング、大学卒業後は弁護士もやっていた。

物質の誕生
宇宙ができて38万年後、温度は3000Kまで低下し、宇宙に満ちていた電子は水素原子核やヘリウム原子核と結合した。これによって、霧の中を進む車のヘッドライトのように、光が電子に遮られることがなくなり、宇宙は晴れ上がった。
この時の発生した電磁波は赤方偏移で波長が伸びて宇宙背景放射として観測される。

星の誕生
ビッグバンから1~3億年後に最初の星ができた。その後銀河がつくられ宇宙の構造が形成された。
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