天文学

宇宙の中の物体は、非常に幅広い電磁波を放射しています。 科学者はこの範囲を電磁波スペクトルと呼び、いくつかのカテゴリーに分類している。

図1：放射線と地球の大気。 この図は、電磁波スペクトルの帯域と、地球の大気がそれらをどの程度透過させるかを示しています。 宇宙からの高周波は地表に届かないので、宇宙から観測しなければならないことに注意。 赤外線やマイクロ波は水に吸収されるため、高高度からの観測が適しているものもあります。 低周波の電波は、地球の電離層に遮られる。 (credit: modification of work by STScI/JHU/NASA)

電磁波の種類

最も波長の短い、0.01ナノメートル以下の電磁波はガンマ線（1ナノメートル＝10-9メートル、科学で用いられる単位を参照）として分類されます。 ガンマ線は、物理学者が最初に放射性原子の挙動を調べたときに発見された3番目の種類の放射線です。 ガンマ線は大きなエネルギーを持つため、生体組織にとって危険です。 ガンマ線は星の内部深くで発生し、また星の死や星の死骸の合体など、宇宙で最も激しい現象によって発生します。 地球にやってくるガンマ線は、地上に到達する前に大気で吸収されてしまうので（これは私たちの健康にとってよいことです）、宇宙にある装置を使ってのみ研究することができます。 X線は可視光線よりもエネルギーが強く、骨ではなく柔らかい組織を透過するため、私たちの体の中にある骨の影を画像化することができます。 また、X線は人体を短時間で透過しますが、地球大気中の大量の原子と相互作用するため、透過を阻止されます。 したがって、X線天文学は、ガンマ線天文学と同様に、大気圏外に観測装置を送り出す方法が確立されるまで発展しなかったのです（図2）

図2: X線天空。 これは、ある種のX線に同調した空の地図です（地球の大気圏上空から見たもの）。 天の川銀河の円盤が中心を横切るように、天球を傾けてあります。 ヨーロッパの衛星ROSATのデータをもとに作成され、人工的に着色されている。 赤、黄、青の各色は、それぞれ異なる周波数やエネルギーのX線を示しています。 例えば、赤は私たちの周りにある高温のガスの泡から発生する光、黄色は私たちの周りにある爆発した星から発生する光、青は私たちの周りにある高温のガスの泡から発生する光です。 黄色や青色は、他の星の爆発の残骸や銀河系の中心部（写真中央）など、より遠くのX線発生源を示しています。 (出典：NASA)

X線と可視光線の中間の放射線が紫外（紫よりエネルギーが高いという意味）です。 科学の世界以外では、紫外線は私たちの目には見えないため、「ブラックライト」と呼ばれることもあります。 紫外線は地球の大気のオゾン層によってほとんど遮断されていますが、太陽からの紫外線のごく一部は透過して、人間に日焼けや、極端に浴びすぎた場合には皮膚がんを引き起こします。

波長が約400～700nmの電磁波は、人間の視覚が認識できる波であるため可視光と呼ばれています。 また、この波長は地表に最も届きやすい波長でもあります。 これは偶然ではなく、人間の目は太陽から届く波長を最も効率よく見ることができるように進化してきたのです。 可視光線は、雲によって一時的に遮られる場合を除き、地球の大気を効果的に透過します

可視光線と電波の間には、赤外線または熱放射の波長があります。 天文学者のウィリアム・ハーシェルが1800年に初めて赤外線を発見したのは、スペクトルに広がるさまざまな色の太陽光の温度を測定しようとしていたときです。 彼は、温度計を誤って最も赤い色の向こう側に置いても、太陽から来る目に見えないエネルギーによる発熱を記録することに気づきました。

ヒートランプは主に赤外線を放射し、私たちの皮膚の神経終末は電磁スペクトルのこの帯域に敏感である。 赤外線は水と二酸化炭素の分子に吸収され、地球の大気圏の低層部に多く存在します。 このため、赤外線天文学は、高い山頂、高く飛ぶ飛行機、宇宙船から行うのが最適です。

赤外線の次は、短波通信や電子レンジでおなじみのマイクロ波です。 (波長は1ミリから1メートルで、水蒸気に吸収されるため、食品の加熱に有効)。 マイクロ」という接頭語は、マイクロ波が次の電波に比べて小さいことに由来しています。 マイクロ波より長い電磁波はすべて電波と呼ばれますが、あまりに範囲が広いので、一般にいくつかの小分類に分かれています。 中でも身近なものでは、交通整理員が車の速度を測るためにレーダー銃に使うレーダー波や、放送用として最初に開発されたAMラジオ波があります。 このように波長の幅が広い電波は、地球の大気と同じように作用しているわけではありません。 FMやテレビの電波は吸収されないので、大気中を簡単に移動することができます。 AM電波は、電離層と呼ばれる地球の大気の層で吸収されたり反射されたりします（電離層は、太陽光や太陽から放出される荷電粒子との相互作用によって生じる、大気上部の荷電粒子の層）

この簡単な調査によって、1つの強い印象を受けていただけたでしょうか。 私たちが目に見える光だけで天文現象を判断するのは、大きなディナーパーティーでテーブルの下に隠れて、靴だけで客を判断するようなものだということが、今ではよくわかります。 テーブルの下には、私たちの目に見えないものがたくさんあるのです。 電磁スペクトルの他の帯域に感度のある機器が集めた情報を無視して、自分の目で見た情報だけを尊重する「可視光偏重主義」にならないようにすることが、今日天文学を学ぶ者にとって非常に重要なのです。 最初は、表に記載されている放射線の種類のいくつかは見慣れないかもしれませんが、あなたの天文学のコースが続くように、それらをよりよく知るようになる。 この表は、天文学者が研究している天体の種類をより詳しく知るために、また戻ってくることができます。 電磁波の種類

0以下

0以下

0以下 0以下 0以下

20-400

星 赤外線 103-106 10-103 K

冷却した塵やガス雲、惑星。 月 マイクロ波 106-109 10K未満 活動銀河、パルサー、宇宙背景放射 ラジオ

109以上

放射線と温度

天体には、主に赤外線を放射するもの、主に可視光を放射するもの、主に紫外線を放射するものなどがあります。 太陽や星などの高密度天体が放つ電磁波の種類は、何によって決まるのでしょうか。

ミクロの世界では、自然界のあらゆるものが運動している。 固体は分子や原子の連続的な振動で構成されている。それらはその場で行ったり来たりしているが、その動きは私たちの目には見えないほど小さい。 気体は、原子や分子が高速で自由に飛び回り、互いにぶつかり合ったり、周囲の物質にぶつかったりしています。 固体や気体が高温であればあるほど、分子や原子の動きは速くなる。 したがって、何かの温度は、それを構成する粒子の平均運動エネルギーの尺度である。

ミクロのレベルでのこの運動は、地球上と宇宙の電磁波の多くを担っている。 原子や分子が動き回り、衝突したり、その場で振動したりすると、その電子が電磁波を放つのです。 この放射線の特性は、その原子や分子の温度によって決まります。 例えば、高温の物質では、個々の粒子がその場で振動したり、衝突して速く動いたりするので、放射される波は平均してよりエネルギーが高くなります。 エネルギーの高い波は周波数も高くなります。

放射線の法則

温度と電磁放射の関係をより定量的に詳細に理解するには、黒体という理想化した物体を想像します。 このような物体は（セーターや天文学の先生の頭とは違って）、放射線を反射したり散乱したりせず、降り注ぐ電磁エネルギーをすべて吸収します。 吸収されたエネルギーは、その中の原子や分子を振動させ、速度を上げて移動させます。 この物体が高温になると、吸収と放射のバランスが取れるまで電磁波を放射するようになる。

黒体からの放射は、図3に示すように、いくつかの特徴を持っています。 このグラフは、温度の異なる物体が各波長で放出するパワーを示しています。 科学では、電力という言葉は、1秒間に出て行くエネルギーを意味します（そして、それは一般的にワットで測定され、あなたは電球を買うことで馴染みがあるでしょう）

まず、この曲線は、各温度で、黒体物体がすべての波長（すべての色）で放射（光子）を発していることを示していることに注目してください。 これは、どんな固体や高密度の気体でも、ある分子や原子は平均より遅く振動したり衝突の間を移動したりし、あるものは平均より速く移動するからです。 そのため、放射される電磁波を見ると、エネルギーと波長の広い範囲、つまりスペクトルが見つかります。 平均的な振動や運動率（各曲線の最も高い部分）ではより多くのエネルギーが放出されますが、原子や分子の数が多ければ、各波長で何らかのエネルギーが検出されます。

次に、温度の高い物体は低い物体よりすべての波長でより多くのパワーを放出することに注目してください。 例えば、高温のガス（（図3）の背の高い曲線）では、原子の衝突が多く、より多くのエネルギーを放出しています。 実際の星の世界では、高温の星のほうが低温の星よりも、すべての波長でより多くのエネルギーを放出していることになります。

第三に、グラフは、温度が高いほど、最大パワーが放射される波長が短くなることを示しています。 波長が短いということは、それだけ高い周波数とエネルギーを持つということです。 つまり、高温のものは低温のものに比べて、より短い波長（より高いエネルギー）でより多くのエネルギーを放出していることになります。 この法則は、日常生活でもよく目にすることがあります。 電気ストーブのバーナーを弱火にすると、赤外線である熱だけが放出され、可視光線は光りません。 バーナーの温度を高くすると、鈍い赤色に光り始める。 さらに温度を上げると、明るい橙赤色（波長が短い）に光ります。

これらのことから、星の温度を測るための大まかな「温度計」を考えることができるのです。 多くの星はそのエネルギーのほとんどを可視光で放出しているので、星の見た目の中心を占める光の色が、その星の温度のおおよその指標になります。 ある星が赤く見え、別の星が青く見えたら、どちらが温度が高いのでしょうか？ 青は波長の短い色なので、温度が高い星であることを示しています。 (ただし、科学的に色から連想される温度と、芸術家が使う温度は違います。 芸術の世界では、赤は「熱い色」、青は「冷たい色」と呼ばれることがあります。 同様に、蛇口やエアコンの操作部には、暑い温度を示す赤と、寒い温度を示す青がよく表示されています。 これは日常生活では当たり前の使い方ですが、自然界では逆なのです）

星が波長ごとにどれだけのエネルギーを出しているかを測定し、図3のような図を作れば、より正確な星温計ができます。 各星のパワー曲線のピーク（または最大値）の位置から、その星の温度がわかるのです。 私たちが見ている放射線を出している太陽の表面の平均温度は、5800Kであることがわかります（本文中では、ケルビン温度または絶対温度という単位を使用します）。 この尺度では、水は273Kで凍り、373Kで沸騰します。すべての分子運動は0Kで停止します。さまざまな温度尺度については、「科学で使われる単位」で説明しています)。 太陽より温度の低い星と、太陽より温度の高い星がある。

最大パワーが放射される波長は、波長をナノメートル（10億分の1メートル）、温度をKとすると、

式で計算できます。 太陽の場合、エネルギーが最大になる波長は520ナノメートルで、可視光と呼ばれる電磁スペクトルの真ん中あたりになります。