NHK高校講座

地学基礎

Eテレ 毎週 水曜日 午後2:40〜3:00
※この番組は、前年度の再放送です。

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今回の学習

第3回 第1編 私たちの宇宙の進化

天の川銀河とブラックホール

  • 国立天文台准教授 青木和光
学習ポイント学習ポイント

天の川銀河とブラックホール

今回のテーマは““天の川銀河”
  • 天の川銀河
  • アイコさん、サワさん

街の灯りが少ない空気の澄んだ場所に行くと、綺麗な星空を見ることができます。
星が川のように集まっているのが、天の川銀河です。

サワ 「天の川って昔話に出てくる作り話かと思っていた。いま夜空を見上げても、天の川を見つけることはできないわ。」

アイコ 「そうね。昔はいろんなところで見ることができたけど、今は街中が光であふれているから、なかなか見ることができないの。」

天の川銀河
  • 天の川銀河(銀河系)
  • 地球から見た様子、宇宙から見た様子

私たちの住んでいる地球は、水星・木星等の惑星と同様に太陽系の星の一つですが、実は太陽系は天の川の一部です。

地球がある太陽系は、およそ1000億個の恒星が集まる大集団の中にあります。
この星の大集団を天の川銀河(銀河系)といいます。
天の川銀河は、地球からは帯状の川のように見えますが、見る角度を変えると円盤状に見えます。

  • バルジ
  • 太陽系の位置

中心部には少しふくらんだ形に星が集まった、バルジと呼ばれる構造があります。
多くの恒星が集まった円盤状の部分は円盤部と呼ばれ、太陽系は、この位置にあります(右図)。

  • 夏は天の川銀河の中心を見ることができる
  • 冬は天の川銀河の端を見ることができる

地上からの天の川銀河の見え方は、季節によって変わります。
地球は太陽を中心に回転しているため、夏は天の川銀河の中心を見ることができ、冬は端を見ていることになるのです。

  • ビー玉の大きさを太陽とすると……
  • 太陽を1cmとして680万kmの大きさ

サワ 「天の川銀河ってどれくらい大きいの?」

アイコ 「例えば直径1センチメートルのビー玉を太陽だとすると、天の川銀河の直径は、680万キロメートル!地球をおよそ500個並べたくらいの大きさなの。」

  • ガイアが観測した天の川銀河の全体図
  • 天の川銀河の直径は約10万光年

左図は、ヨーロッパ宇宙機関の宇宙望遠鏡「ガイア」が観測した、17億個以上の星をもとに作られた天の川銀河の全天図です。
天の川銀河は1000億個ほどの星が、直径約10万光年、厚さ数千光年の円盤のような形に集まってできています。

  • ウィリアム・ハーシェル
  • ハーシェルの観測手法

観測によって、天の川銀河の形を突き止めようとした天文学者がいました。ドイツで生まれ、イギリスで活躍した、ウィリアム・ハーシェル(1738〜1822)です。

ハーシェルの手法は星の数を数えることでした。
空を等間隔の領域にわけて、暗い星ほど より遠くに存在すると考え、星の分布を調べたのです。

  • ハーシェルが描いた天の川銀河
  • 天の川銀河の円盤形状を初めて観測から導く

左図は、ハーシェルが描いた天の川銀河です。ハーシェルは、見えている星がすべてだと仮定したため、描かれた形は不完全でした。
しかし、天の川銀河が円盤状であることを、初めて観測から導き出したのです。

20世紀に入ると、巨大な望遠鏡によって、驚くべき発見がもたらされました。天の川銀河のほかにも、宇宙には銀河が数多く存在することがわかったのです。

  • NGC3169、NGC3166
  • NGC1300

観測された多くの銀河は、ハーシェルが描き出したような円盤状をしていました。
さらに詳しく見てみると、円盤状の銀河にも、さまざまなタイプがあることがわかったのです。

銀河と巨大ブラックホール
  • ブラックホール
  • ブラックホールの直径は太陽の17個分

サワ 「天の川銀河の中心のあたりはどうなっているの? 明るくなっていて、中になにかあるみたい。」

アイコ 「実は巨大なブラックホールがあるの。」


天の川銀河の中心にあるバルジの、さらに中心には、物質も電磁波も放出されないブラックホールが存在します。
その質量は太陽の約400万倍、直径は太陽の17個分ほどもあります。
このような巨大なブラックホールがどのようにしてできたのかについては、いまだに多くの謎が残されています。

ブラックホールは、大量の物質が狭い範囲に密集した結果としてできる、小さくて重力が非常に強い天体です。そこからはどんな物体も、光すらも出てこられないため、目には見えません。

  • ブラックホールから出る光線、電波

しかしブラックホールの周囲からは、目に見える可視光線のほか、電波や赤外線、X線などの電磁波が出てくることがあります。それを観測するとブラックホールがあることがわかるのです。
ただし、ブラックホール自体が電波や赤外線を出しているわけではありません。

  • ブラックホールの周囲では大量のガスが引き寄せられ、回転
  • ガスの摩擦で発光する

左図は、NASAの宇宙望遠鏡「スウィフト」の観測データから推測したブラックホールの様子です。
ブラックホールの周囲では、大量のガスが引き寄せられ、回転しています。
ガスが中心に近づくと、回転のスピードが上がります。
すると内側と外側のガスの速度が異なるために摩擦が発生し、その熱は1000万℃を超えて強烈な光を発します。
やがてガスはブラックホールに吸収され、ガスが少なくなると、次第に光も弱くなっていきます。
この光を調べることで、ブラックホールの位置や大きさを知ることができます。

宇宙で作られる元素
  • 原子の種類を元素という
  • 宇宙誕生の40万年後に水素やヘリウムが生まれた

サワ 「天の川銀河の中で星が生まれ、一生を終える。太陽もその一つ、というわけね。」

アイコ 「それが積み重なっていくと、宇宙をつくる物質が少しずつ変わっていくの。星が新しい元素を作っていくのよ。」


原子はすべての物質を構成する小さな粒であり、その種類のことを元素といいます。
宇宙誕生のおよそ40万年後、バラバラに飛び交っていた陽子・中性子・電子が結びついて水素やヘリウムが生まれました。

恒星が進化する過程で核融合反応が起こり、ヘリウムから炭素や酸素などが生まれ、元素はその数を増やしていきました。

  • 中性子が増えて原子核が不安定になり一部が陽子に
  • 陽子が増えて鉄からコバルトに変化

たとえば、星の内部で大量に発生した中性子が、鉄の原子核に衝突すると、原子核はどんどん大きくなります。
中性子が多くなった原子核は不安定になり、中性子の一部は陽子に変化します。
陽子が増えたことで、鉄はコバルトになります。

このような反応を繰り返すことで、次々と重い元素が作られていくのです。

元素周期表

また 爆発的に作りだされるものもあり、元素の数は人工的に作られたものを含めると現在118種類にもなり、周期表に整理されています。


サワ 「元素って、最初から全部あったんじゃなくて、宇宙の歴史のなかでだんだん増えていったのね。でも、はるかかなたの天体にさまざまな元素があるっていうことが、どうしてわかるんですか?」

  • 国立天文台 准教授 青木 和光さん

アーカイブスにアクセスし、国立天文台 准教授の青木 和光さんに聞いてみました。

星からやってくる光を、プリズムのような装置を使って観測すると、どのような色の光がどのくらい含まれているかわかります。色というのは、波としての光の波長のことなのですが、星からやってくる光には、波長によってところどころ光が弱いところが見られます。

これは星の表面にある物質によって、光が吸収されてしまうからです。
大事なことは、吸収される光の波長は、元素によって違うということです。おおざっぱに言うと鉄などの重い元素は、青い光を吸収しやすいという性質があります。そのため、重い元素を多く含む星は赤っぽく見えることになります。



サワ 「星によって含まれる元素は違うんですか?」


太陽の近くの星の多くは、だいたい太陽と似たような元素でできています。しかし、中には酸素や鉄などの重い元素の少ない星があります。
このような星は、宇宙が誕生してから間もない時期に生まれてきた星だと考えられるため、コツコツ調べていくと宇宙における物質の歴史がわかってきます。



アイコ 「宇宙ではこれから、私たちの知らない新たな元素が生まれる可能性はあるんですか?」

  • 宇宙では未知の元素が誕生している可能性がある
  • 次回もお楽しみに!

人類が作り出したこともない、未知の重い元素が宇宙で作りだされている可能性はゼロではありません。そのような元素を確認できれば、大発見になります。


サワ 「宇宙でいろんな元素が生まれたからこそ、私たちの住んでいる地球や私たち自身も生まれたのね。そして、宇宙では今も新しい元素が生まれているかもしれない……。」

アイコ 「そうね。宇宙観測の技術がもっと進歩すれば、それが見つけられる可能性もある。」


それでは、次回もお楽しみに!

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