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天文学は、天体や宇宙で起こる現象を研究する自然科学です。数学、物理学、化学を用いて、それらの起源と全体的な進化を説明します。対象となる天体には、惑星、衛星、恒星、星雲、銀河、流星体、小惑星、彗星などがあります。関連する現象には、超新星爆発、ガンマ線バースト、クエーサー、ブレーザー、パルサー、宇宙マイクロ波背景放射などがあります。より一般的には、天文学は地球の大気圏外で発生するすべてのものを研究します。宇宙論は、宇宙全体を 研究する天文学の一分野です。
天文学は最も古い自然科学の 1 つです。記録に残る歴史上の初期の文明では、夜空の系統的な観測が行われていました。これには、エジプト人、バビロニア人、ギリシャ人、インド人、中国人、マヤ人、およびアメリカ大陸の多くの古代先住民が含まれます。過去には、天文学には天体測量、天体航法、観測天文学、暦の作成など、多様な分野が含まれていました。
専門的な天文学は、観測と理論の分野に分かれています。観測天文学は、天体の観測からデータを取得することに重点を置いています。このデータは、物理学の基本原理を使用して分析されます。理論天文学は、天体や現象を説明するコンピューターまたは分析モデルの開発に重点を置いています。これら 2 つの分野は互いに補完し合っています。理論天文学は観測結果の説明を試み、観測は理論結果を確認するために使用されます。
天文学は、アマチュアが積極的な役割を果たす数少ない科学の 1 つです。これは、一時的な現象の発見と観測に特に当てはまります。アマチュア天文学者は、新しい彗星の発見など、多くの重要な発見に貢献してきました。
語源
天文学（ギリシャ語のἀστρονομία（ἄστρον astron、「星」）と-νομία -nomia（νόμος nomos、「法則」または「文化」）に由来）は、「星の法則」（翻訳によっては「星の文化」）を意味する。天文学は、人間の出来事が天体の位置と相関関係にあると主張する信仰体系である占星術と混同してはならない。 [2]これら2つの分野は共通の起源を共有しているが、現在では完全に異なる。[3]
「天文学」および「天体物理学」という用語の使用
「天文学」と「天体物理学」は同義語である。[4] [5] [6]厳密な辞書の定義に基づくと、「天文学」は「地球の大気圏外の物体と物質、およびそれらの物理的および化学的特性の研究」を指し、[7]「天体物理学」は「天体と現象の挙動、物理的特性、動的プロセス」を扱う天文学の一分野を指す。[8]場合によっては、フランク・シューの入門書『 The Physical Universe 』の序文にあるように、「天文学」は主題の定性的研究を説明するために使用されるのに対し、「天体物理学」は主題の物理学指向バージョンを説明するために使用される。[9]しかし、現代の天文学研究のほとんどは物理学に関連する主題を扱っているため、現代の天文学は実際には天体物理学と呼ばれることがある。 [4]天体測定学などの一部の分野は、天体物理学ではなく純粋に天文学である。科学者がこのテーマについて研究を行っている様々な部門では、その部門が歴史的に物理学部門と提携していたかどうかによっても「天文学」と「天体物理学」という呼称が使われることがあり、[5]多くのプロの天文学者は天文学ではなく物理学の学位を取得しています。[6]この分野の主要な科学雑誌のタイトルには、The Astronomical Journal 、 The Astrophysical Journal、Astronomy & Astrophysicsなどがあります。
歴史
古代
初期の有史時代、天文学は肉眼で見える物体の動きの観察と予測のみで構成されていました。一部の地域では、初期の文化が何らかの天文学的な目的を持っていた可能性のある巨大な遺物を組み立てました。これらの天文台は儀式的な用途に加えて、季節を決定するために使用されました。これは、作物を植える時期を知ることや、1年の長さを理解する上で重要な要素です。[10]
望遠鏡などの道具が発明される前、初期の星の研究は肉眼で行われていました。文明が発展するにつれて、特にエジプト、メソポタミア、ギリシャ、ペルシャ、インド、中国、中央アメリカで天文台が設立され、宇宙の性質に関する考えが発展し始めました。初期の天文学のほとんどは、星や惑星の位置を地図に表すことで構成されており、これは現在では天体測量法と呼ばれています。これらの観察から、惑星の運動に関する初期の考えが形成され、宇宙における太陽、月、地球の性質が哲学的に探求されました。地球は宇宙の中心であり、太陽、月、星がその周りを回転していると信じられていました。これは、宇宙の地動説、またはプトレマイオスにちなんで名付けられたプトレマイオス体系として知られています。[11]
特に重要な初期の発展は、数学的かつ科学的な天文学の始まりであり、これはバビロニア人の間で始まり、後に他の多くの文明で発展した天文学の伝統の基礎を築きました。[13]バビロニア人は、月食がサロスと呼ばれる周期で繰り返されることを発見しました。[14]
バビロニア人の後、古代ギリシャとヘレニズム世界で天文学が大きく進歩した。ギリシャの天文学は、天体現象に対する合理的かつ物理的な説明を求めることが最初から特徴である。[15]紀元前3世紀、サモス島のアリスタルコスは月と太陽の大きさと距離を推定し、地球と惑星が太陽の周りを回転する太陽系モデルを提唱した。これは現在、地動説と呼ばれている。 [16]紀元前2世紀、ヒッパルコスは歳差運動を発見し、月の大きさと距離を計算し、アストロラーベなどの最も古い天文学的装置を発明した。[17]ヒッパルコスは1020個の星の包括的なカタログも作成し、北半球の星座のほとんどはギリシャの天文学に由来している。 [18]アンティキティラ島の機械（紀元前150 年頃～紀元前80年頃）は、特定の日付の太陽、月、惑星の位置を計算するために設計された初期のアナログコンピュータでした。同様の複雑さを持つ技術的遺物は、機械式天文時計がヨーロッパに登場した14世紀まで再び現れませんでした。[19]
中世
中世ヨーロッパには、多くの重要な天文学者が住んでいました。リチャード・オブ・ウォーリングフォード（1292年 - 1336年）は、惑星と他の天体との間の角度の測定を可能にした最初の天文時計であるレクタングルスや、月、太陽、惑星の経度などの天文学的な計算に使用でき、日食を予測できたアルビオンと呼ばれる赤道儀の発明など、天文学と時計学に多大な貢献をしました。ニコル・オレーム（1320年 - 1382年）とジャン・ビュリダン（1300年 - 1361年）は、地球の自転の証拠について初めて議論し、さらにビュリダンは、惑星が天使の介入なしに運動できることを示すインペトゥス理論（現代の科学的慣性理論の前身）も開発しました。 [20]ゲオルク・フォン・ポイエルバッハ（1423年 - 1461年）とレギオモンタヌス（1436年 - 1476年）は、数十年後にコペルニクスが太陽中心説を発展させる上で重要な天文学の進歩に貢献した。
天文学はイスラム世界と世界の他の地域で栄えた。これにより、9世紀初頭までにイスラム世界で最初の天文台が出現した。 [21] [22] [23] 964年、アンドロメダ銀河は局部銀河群最大の銀河であり、ペルシャのイスラム天文学者アブド・アル・ラフマーン・アル・スーフィーが著書『恒星の書』で説明している。[24]記録された歴史上最も明るい見かけ等級の恒星現象であるSN 1006超新星は、 1006年にエジプトのアラビアの天文学者アリー・イブン・リドワンと中国の天文学者によって観測された。イランの学者アル・ビルニーは、プトレマイオスとは反対に、太陽の遠地点（天空の最高点）は固定されておらず、移動していると観察した。[25]科学に多大な貢献をした著名なイスラム（主にペルシャ人とアラブ人）の天文学者には、アル＝バッターニ、テビト、アブド・アル＝ラフマーン・アル＝スーフィー、ビルニー、アブー・イシャーク・イブラーヒーム・アル＝ザルカリー、アル＝ビルジャンディ、そしてマラーゲ天文台とサマルカンド天文台の天文学者らがいる。当時の天文学者たちは、現在個々の星に使われている多くのアラビア語の名前を導入した。[26] [27]
また、グレート・ジンバブエとトンブクトゥの遺跡[28]には天文台があったと考えられています。[29]ポスト古典期の 西アフリカでは、天文学者が星の動きと季節との関係を研究し、複雑な数学的計算に基づいて天体の図表や他の惑星の軌道の正確な図を作成しました。ソンガイの歴史家マフムード・カティは、 1583年8月の流星群を記録しました。 [30] [31]ヨーロッパ人は、植民地化以前の中世にはサハラ以南のアフリカ で天文観測が行われていなかったと以前信じていましたが、現代の発見はそうではないことを示しています。[32] [33] [34] [35]
6世紀以上（中世後期の古代の学問の復興から啓蒙時代まで）、ローマカトリック教会はおそらく他のどの機関よりも天文学の研究に財政的、社会的支援を与えてきました。教会の動機の1つは、イースターの日付を見つけることでした。[36]
科学革命
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ルネッサンス期、ニコラウス・コペルニクスは太陽系の太陽中心モデルを提唱した。彼の研究はガリレオ・ガリレイによって擁護され、ヨハネス・ケプラーによって拡張された。ケプラーは太陽の周りの惑星の運動の詳細を正確に記述したシステムを考案した最初の人物であった。しかし、ケプラーは彼が書き留めた法則の背後にある理論を定式化することには成功しなかった。[37]最終的に惑星の運動を説明したのは、天体力学と万有引力の法則を発明したアイザック・ニュートンであった。ニュートンは反射望遠鏡も開発した。[38]
望遠鏡のサイズと品質の向上により、さらなる発見がもたらされました。イギリスの天文学者ジョン・フラムスティードは3000以上の星をカタログ化しました。[39]ニコラ・ルイ・ド・ラカイユはより広範な星のカタログを作成しました。天文学者ウィリアム・ハーシェルは星雲と星団の詳細なカタログを作成し、1781年に最初の新惑星である天王星を発見しました。[ 40]
18世紀から19世紀にかけて、レオンハルト・オイラー、アレクシス・クロード・クレロー、ジャン・ル・ロン・ダランベールによる三体問題の研究により、月や惑星の運動に関するより正確な予測が可能になった。この研究はジョゼフ＝ルイ・ラグランジュとピエール・シモン・ラプラスによってさらに洗練され、惑星や衛星の質量をその摂動から推定できるようになった。[41]
天文学における大きな進歩は、分光器や写真などの新技術の導入によってもたらされた。ヨーゼフ・フォン・フラウンホーファーは1814年から1815年にかけて太陽のスペクトルに約600の帯を発見し、1859年にグスタフ・キルヒホフはそれがさまざまな元素の存在によるものだと結論付けた。恒星は地球の太陽と似ているが、温度、質量、大きさは多岐にわたることが証明された。 [26]
地球の銀河である天の川銀河が、独自の恒星の集まりとして存在することは、外部銀河の存在とともに、20世紀になって初めて証明されました。これらの銀河の後退が観測されたことから、宇宙の膨張が発見されました。 [ 42]理論天文学により、ブラックホールや中性子星などの天体の存在についての推測が生まれ、これらはクエーサー、パルサー、ブレーザー、電波銀河などの観測された現象を説明するために使用されました。物理宇宙論は、20世紀に大きな進歩を遂げました。1900年代初頭には、宇宙マイクロ波背景放射、ハッブルの法則、元素の宇宙論的存在比によって十分に証明されたビッグバン理論のモデルが策定されました。宇宙望遠鏡により、通常は大気によって遮られたりぼやけたりする電磁スペクトルの部分の測定が可能になりました。[43] 2016年2月、LIGOプロジェクトが前年9月に重力波の証拠を検出していたことが明らかになりました。 [44] [45]
観測天文学
天体やその他の物体に関する情報の主な情報源は可視光、より一般的には電磁放射です。[46]観測天文学は、観測が行われる電磁スペクトルの対応する領域に従って分類することができます。スペクトルの一部は地球の表面から観測できますが、他の部分は高高度または地球の大気圏外からのみ観測可能です。これらのサブフィールドに関する具体的な情報は以下に記載されています。
電波天文学
電波天文学は、可視光線の範囲外にある、約1ミリメートル以上の波長の放射線を使用します。 [47]電波天文学は、観測される電波を個別の光子としてではなく波として扱うことができるという点で、他のほとんどの観測天文学とは異なります。したがって、電波の振幅と位相の両方を測定することは比較的簡単ですが、これはより短い波長ではそれほど簡単ではありません。[47]
一部の電波は天体から直接放射される熱放射の産物であるが、観測される電波放射のほとんどは、電子が磁場を周回するときに生成されるシンクロトロン放射の結果である。[47]さらに、星間ガスによって生成される多くのスペクトル線、特に21cmの水素スペクトル線は、電波波長で観測可能である。 [9] [47]
電波波長では、超新星、星間ガス、パルサー、活動銀河核など、さまざまな天体が観測可能です。[9] [47]
赤外線天文学
赤外線天文学は、赤色光よりも波長が長く、人間の視覚の範囲外にある赤外線の検出と分析に基づいています。赤外線スペクトルは、光が塵によって遮られている惑星、恒星周縁円盤、星雲など、可視光を放射するには冷たすぎる物体の研究に役立ちます。赤外線のより長い波長は、可視光を遮る塵の雲を透過できるため、分子雲や銀河の中心核に埋め込まれた若い星を観測できます。広域赤外線探査衛星(WISE) による観測は、多数の銀河系原始星とそのホスト星団を明らかにするのに特に効果的でした。[49] [50]可視光に近い赤外線波長 を除いて、そのような放射は大気によって大きく吸収されるか、または大気自体がかなりの赤外線放射を生成するためマスクされます。したがって、赤外線観測所は地球上または宇宙の高所の乾燥した場所に設置する必要があります。[51]一部の分子は赤外線を強く放射します。これにより宇宙の化学を研究することができ、より具体的には彗星内の水を検出することができる。[52]
光学天文学
歴史的に、可視光天文学とも呼ばれる光学天文学は、最も古い形式の天文学です。[53]観測画像はもともと手で描かれていました。19世紀後半から20世紀の大半は、画像が写真機器を使用して作成されていました。現代の画像はデジタル検出器、特に電荷結合素子（CCD）を使用して作成され、現代の媒体に記録されます。可視光自体は約4000Åから7000Å（400nmから700nm）に及びますが、 [ 53 ]同じ機器を使用して、近紫外線と近赤外線の一部を観測することができます。
紫外線天文学
紫外線天文学では、約 100 ～ 3200 Å (10 ～ 320 nm) の紫外線波長を使用します。 [47]これらの波長の光は地球の大気によって吸収されるため、これらの波長での観測は上層大気または宇宙から行う必要があります。紫外線天文学は、この波長帯で非常に明るい高温の青い星( OB 星) からの熱放射とスペクトル輝線の研究に最適です。これには他の銀河の青い星も含まれ、いくつかの紫外線調査の対象となっています。紫外線でよく観測される他の天体には、惑星状星雲、超新星残骸、活動銀河核などがあります。[47]ただし、紫外線は星間塵によって吸収されやすいため、紫外線測定の調整が必要です。[47]
X線天文学
X線天文学では、X線の波長が利用される。通常、X線放射は、シンクロトロン放射（磁力線の周りを電子が周回することによる）、10 7（1000万）ケルビン以上の薄いガスからの熱放射、10 7ケルビン以上の濃いガスからの熱放射によって生成される。 [47] X線は地球の大気によって吸収されるため、すべてのX線観測は高高度気球、ロケット、またはX線天文学衛星から行う必要がある。注目すべきX線源には、X線連星、パルサー、超新星残骸、楕円銀河、銀河団、活動銀河核などがある。[47]
ガンマ線天文学
ガンマ線天文学は、電磁スペクトルの最も短い波長で天体を観測する。ガンマ線は、コンプトンガンマ線観測所などの衛星や、大気チェレンコフ望遠鏡と呼ばれる特殊な望遠鏡によって直接観測される。[47]チェレンコフ望遠鏡はガンマ線を直接検出するのではなく、ガンマ線が地球の大気に吸収されたときに発生する可視光の閃光を検出する。[54]
ガンマ線を放出する源のほとんどは、実際にはガンマ線バーストであり、数ミリ秒から数千秒間だけガンマ線を放出して消えていく物体である。ガンマ線源のわずか10％が非一過性源である。これらの安定したガンマ線放出源には、パルサー、中性子星、活動銀河核などのブラックホール候補が含まれる。 [47]
電磁スペクトルに基づかないフィールド
電磁放射に加えて、遠くから発生する他のいくつかの現象も地球から観測できる可能性があります。
ニュートリノ天文学では、天文学者はニュートリノの検出にSAGE、GALLEX、Kamioka II/IIIなどの遮蔽された地下施設を使用しています。地球を通過するニュートリノの大部分は太陽に由来しますが、 24 個のニュートリノが超新星 1987Aからも検出されました。[47]宇宙線は、地球の大気圏に入ると崩壊または吸収される非常に高エネルギーの粒子 (原子核) で構成されており、現在の観測所で検出できる二次粒子のカスケードを引き起こします。[55]将来のニュートリノ検出器の中には、宇宙線が地球の大気圏に衝突したときに生成される粒子に感度を持つものもあります。[47]
重力波天文学は、重力波検出器を用いて遠くの巨大な物体に関する観測データを収集する天文学の新しい分野である。レーザー干渉計重力観測所 LIGOなど、いくつかの観測所が建設されている。LIGOは2015年9月14日に最初の重力波を検出し、連星ブラックホールからの重力波を観測した。[56] 2015年12月26日に2回目の重力波が検出され、追加の観測が継続される予定であるが、重力波には非常に感度の高い機器が必要である。[57] [58]
電磁波、ニュートリノ、重力波などの観測と他の補完的な情報の組み合わせは、マルチメッセンジャー天文学として知られています。[59] [60]
天体測量と天体力学
天文学、そして科学全体の中で最も古い分野の一つは、天体の位置の測定である。歴史的に、太陽、月、惑星、恒星の位置に関する正確な知識は、天体航法（航海を導くために天体を使用すること）や暦の作成に不可欠であった。[61] : 39
惑星の位置を注意深く測定することで、重力の摂動に関する確かな理解が深まり、惑星の過去と未来の位置を非常に正確に決定できるようになりました。これは天体力学と呼ばれる分野です。最近では、地球近傍天体の追跡により、地球とそれらの天体との接近遭遇や衝突の可能性を予測できるようになりました。[62]
近くの恒星の視差を測定することは、宇宙の規模を測定するために使用される宇宙距離ラダーの基本的な基準を提供します。近くの恒星の視差測定は、より遠い恒星の特性を比較できるため、その特性の絶対的な基準を提供します。星の視線速度と固有運動を測定することで、天文学者は天の川銀河を通るこれらのシステムの動きをプロットできます。天体測定の結果は、銀河内の推定暗黒物質の分布を計算するために使用される基礎です。 [63]
1990年代には、近くの恒星の恒星のふらつきを測定することで、それらの恒星を周回する大きな太陽系外惑星を検出することができました。[64]
理論天文学
理論天文学者は、解析モデルや数値計算 シミュレーションなど、いくつかのツールを使用します。それぞれに利点があります。プロセスの解析モデルは、何が起こっているのかをより深く理解するのに適しています。数値モデルは、他の方法では観測できない現象や効果の存在を明らかにします。[65] [66]
天文学の理論家は、既存の観測と既知の物理学に基づいた理論モデルを作成し、それらのモデルの観測結果を予測しようと努めています。モデルによって予測された現象を観測することで、天文学者は複数の代替モデルまたは矛盾するモデルの中から選択することができます。理論家はまた、新しい観測を考慮に入れるために既存のモデルを修正します。場合によっては、地球中心説、光子エーテルの存在、宇宙進化の定常モデルなど、モデルと矛盾する大量の観測データにより、モデルが大幅にまたは完全に放棄されることがあります。
理論天文学者によってモデル化された現象には以下のものがあります。
現代の理論天文学は、1990年代以降の観測の劇的な進歩を反映しており、宇宙マイクロ波背景放射、遠方超新星、銀河の赤方偏移の研究などにより、宇宙論の標準モデルが開発されました。このモデルでは、宇宙には大量の暗黒物質と暗黒エネルギーが含まれていると想定されていますが、その性質は現在十分に理解されていません。しかし、このモデルは、さまざまな観測結果と非常によく一致する詳細な予測を示しています。[67]
特定のサブフィールド
天体物理学
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天体物理学は、物理学と化学の原理を用いて「宇宙における天体の位置や運動ではなく、天体の性質を解明する」天文学の一分野である。 [68] [69]研究対象となる天体には、太陽、その他の恒星、銀河、太陽系外惑星、星間物質、宇宙マイクロ波背景放射などがある。[70] [71]それらの放射は、電磁スペクトルのすべての部分にわたって調べられ、調べられる特性には、光度、密度、温度、化学組成などがある。天体物理学は非常に幅広い分野であるため、天体物理学者は通常、力学、電磁気学、統計力学、熱力学、量子力学、相対性理論、原子核物理学と粒子物理学、原子分子物理学など、物理学の多くの分野を応用する。
実際には、現代の天文学の研究には、理論物理学と観測物理学の分野でのかなりの量の研究が含まれることが多い。天体物理学者の研究分野には、暗黒物質、暗黒エネルギー、ブラックホールの特性、タイムトラベルが可能かどうか、ワームホールが形成できるかどうか、多元宇宙が存在するかどうか、宇宙の起源と最終的な運命を決定しようとする試みなどがある。[70]理論天体物理学者が研究するトピックには、太陽系の形成と進化、恒星のダイナミクスと進化、銀河の形成と進化、磁気流体力学、宇宙の物質の大規模構造、宇宙線の起源、一般相対性理論、弦宇宙論や天体粒子物理学を含む物理的宇宙論などもある。
天体化学
天体化学は、宇宙における分子の存在量と反応、およびそれらの放射線との相互作用を研究する学問である。この学問は、天文学と化学の重なり合う領域である。 「天体化学」という言葉は、太陽系と星間物質の両方に当てはまる。隕石などの太陽系天体の元素の存在量と同位体比の研究は宇宙化学とも呼ばれ、星間原子と分子およびそれらの放射線との相互作用の研究は、分子天体物理学と呼ばれることもある。分子ガス雲の形成、原子および化学組成、進化および運命は、太陽系がこれらの雲から形成されるため、特に興味深い。この分野の研究は、太陽系の形成、地球の起源と地質、自然発生、気候と海洋の起源の理解に貢献している。[72]
宇宙生物学
宇宙生物学は、宇宙における生命の起源、初期進化、分布、未来を扱う学際的な科学分野です。宇宙生物学は、地球外生命が存在するかどうか、また存在する場合、人類はそれをどのように検出できるかという問題を考察します。[73]宇宙生物学という用語も同様です。[74]
宇宙生物学は、分子生物学、生物物理学、生化学、化学、天文学、物理宇宙論、太陽系外惑星学、地質学を利用して、他の惑星での生命の可能性を調査し、地球とは異なる可能性のある生物圏を認識するのに役立ちます。 [75]生命の 起源と初期の進化は、宇宙生物学の分野と切り離せない部分です。[76]宇宙生物学は、既存の科学的データの解釈に関係しており、文脈を与えるために推測が受け入れられる場合でも、宇宙生物学は主に既存の科学理論にしっかりと適合する仮説に関係しています。
この学際的な分野には、惑星系の起源、宇宙における有機化合物の起源、岩石・水・炭素の相互作用、地球上の自然発生、惑星の居住可能性、生命検出のためのバイオシグネチャーの研究、地球と宇宙の課題に適応する生命の可能性に関する研究が含まれます。[77] [78] [79]
物理宇宙論
宇宙論（ギリシャ語のκόσμος ( kosmos )「世界、宇宙」とλόγος ( logos )「言葉、研究」または文字通り「論理」に由来）は、宇宙全体の研究と考えることができます。
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宇宙の大規模構造の観測は、物理宇宙論として知られる分野であり、宇宙の形成と進化についての深い理解をもたらしました。現代の宇宙論の基礎となっているのは、広く受け入れられているビッグバン理論です。ビッグバン理論によれば、宇宙はある時点から始まり、その後138億年かけて拡大し、現在の状態になりました。 [ 80 ] [81]ビッグバンの概念は、 1965年のマイクロ波背景放射の発見にまで遡ることができます。[81]
この膨張の過程で、宇宙はいくつかの進化段階を経た。宇宙のごく初期には、宇宙は非常に急速な宇宙インフレーションを経験し、初期条件が均質化したと理論づけられている。その後、元素合成により初期宇宙の元素の豊富さが生み出された。[81] （核宇宙年代学も参照。）
最初の中性原子が原始イオンの海から形成されたとき、宇宙は放射線に対して透明になり、今日マイクロ波背景放射として見られるエネルギーが放出されました。その後、膨張する宇宙は恒星のエネルギー源の不足により暗黒時代を経ました。[82]
宇宙の質量密度の微細な変化から物質の階層構造が形成され始めた。物質は最も密度の高い領域に蓄積され、ガス雲と最初期の星である種族IIIの星を形成した。これらの大質量星は再電離過程を引き起こし、初期宇宙の多くの重元素を生成したと考えられている。これらの重元素は核崩壊によってより軽い元素を生成し、元素合成のサイクルをより長く続けることを可能にした。[83]
重力の集合体はフィラメント状に集まり、隙間に空洞を残した。徐々にガスと塵の組織が融合して最初の原始銀河を形成した。時が経つにつれ、これらはより多くの物質を引き込み、しばしば銀河のグループやクラスターに組織化され、その後、より大規模な超銀河団に組織化された。[84]
宇宙の構造の根本は、暗黒物質と暗黒エネルギーの存在です。これらは現在、宇宙の主要な構成要素であると考えられており、宇宙の質量の96％を占めています。このため、これらの構成要素の物理的性質を理解しようとする努力が払われています。[85]
銀河系外天文学
銀河系外の天体の研究は、銀河の形成と進化、その形態（記述）と分類、活動銀河の観測、さらに大きなスケールでは銀河群や銀河団に関する研究に関わる天文学の一分野です。最後に、銀河群や銀河団は宇宙の大規模構造を理解する上で重要です。[61]
ほとんどの銀河は、分類体系を可能にする明確な形状に編成されています。一般的には渦巻き銀河、楕円銀河、不規則銀河に分類されます。[86]
名前が示すように、楕円銀河は楕円形の断面形状をしています。星は特定の方向を持たずにランダムな軌道に沿って移動します。これらの銀河には星間塵がほとんどまたは全くなく、星形成領域も少なく、古い星が多くあります。[61] : 877–878 楕円銀河は他の銀河が合体して形成された可能性があります。[61] : 939
渦巻銀河は平らな回転する円盤で構成され、通常は中央に突出した膨らみや棒があり、外側に渦巻く明るい腕が長く伸びています。腕は塵の多い星形成領域で、その中で巨大な若い星が青みがかった色をしています。渦巻銀河は通常、古い星のハローに囲まれています。天の川銀河と、私たちの最も近い銀河の1つであるアンドロメダ銀河はどちらも渦巻銀河です。[61] : 875
不規則銀河は見た目が混沌としており、渦巻き状でも楕円形でもありません。[61] : 879 すべての銀河の約4分の1は不規則であり、そのような銀河の特異な形状は重力相互作用の結果である可能性があります。[87]
活動銀河は、恒星、塵、ガス以外の発生源から相当量のエネルギーを放射している銀河群である。活動銀河は、中心核の密集した領域によってエネルギーを供給されており、この領域は超大質量ブラックホールと考えられており、このブラックホールが落下する物質から放射している。[61] : 907 電波銀河は、スペクトルの電波部分で非常に明るく、巨大なガスの柱状構造を放射している活動銀河である。より短周波で高エネルギーの放射を放射する活動銀河には、セイファート銀河、クエーサー、ブレーザーなどがある。クエーサーは、既知の宇宙で最も一貫して明るい天体であると考えられている。[88]
宇宙の大規模構造は銀河団や銀河団によって表される。この構造は銀河団の階層構造にまとめられており、最大のものは超銀河団である。集合物質はフィラメントと壁を形成し、その間に大きな空隙を残す。[89]
銀河天文学
太陽系は、局部銀河群の主要メンバーである棒渦巻銀河である天の川銀河の中を周回しています。これは、相互の重力によって結合したガス、塵、星、その他の物体の回転する塊です。地球は塵の多い外側の腕の中に位置しているため、天の川の大部分は視界から隠れています。[61] : 837–842, 944
天の川銀河の中心には、棒状の膨らみをなす核があり、その中心には超大質量ブラックホールがあると考えられている。核は、核から螺旋状に伸びる4つの主要な腕に囲まれている。ここは活発な星形成領域で、多くの若いI族の星が含まれている。円盤は、より古いII族の星からなる球状のハローと、球状星団として知られる比較的密度の高い星の集まりに囲まれている。[90]
星と星の間には、物質がまばらな領域である星間物質が存在します。最も密度の高い領域では、分子状水素やその他の元素からなる分子雲が星形成領域を形成します。これらは、コンパクトな星形成前核または暗黒星雲として始まり、集中して崩壊し（体積はジーンズ長によって決まります）、コンパクトな原始星を形成します。[91]
より質量の大きい恒星が出現すると、雲は輝くガスとプラズマのH II 領域（イオン化した原子水素）に変わります。これらの恒星からの恒星風と超新星爆発により、最終的に雲は分散し、多くの場合、1つまたは複数の若い散開星団が残ります。これらの星団は徐々に分散し、星は天の川銀河の集団に加わります。[92]
天の川銀河や他の銀河の物質の運動学的研究により、目に見える物質で説明できる以上の質量が存在することが実証されている。暗黒物質ハローが質量を支配しているように見えるが、この暗黒物質の性質は未だに解明されていない。[93]
恒星天文学
星と恒星の進化の研究は、宇宙を理解する上で基礎となる。星の天体物理学は、観測と理論的理解、そして内部のコンピューターシミュレーションを通じて解明されてきた。[94] 星の形成は、巨大分子雲と呼ばれる塵とガスの密集した領域で起こる。不安定になると、雲の破片は重力の影響で崩壊し、原始星を形成する。十分に密度が高く高温の中心領域は核融合を引き起こし、主系列星を形成する。[91]
水素とヘリウムより重い元素のほとんどは恒星の中心部で生成された。[94]
結果として生じる恒星の特性は、主にその最初の質量によって決まります。恒星の質量が大きいほど、その明るさは大きくなり、核で水素燃料がヘリウムに融合する速度も速くなります。時間が経つにつれて、この水素燃料は完全にヘリウムに変換され、恒星は進化し始めます。ヘリウムの融合には、より高い核温度が必要です。核温度が十分に高い星は、核の密度を増加させながら、外層を外側に押し出します。膨張した外層によって形成された赤色巨星は、核のヘリウム燃料が消費されるまでの短い寿命を享受します。非常に質量の大きい恒星は、ますます重い元素を融合するため、一連の進化段階を経ることもあります。[95]
恒星の最終的な運命はその質量によって決まり、質量が太陽の約 8 倍を超える恒星は、中心核崩壊型超新星となる。[96]一方、より小さな恒星は外層を吹き飛ばし、白色矮星の形で不活性な中心核を残す。外層の放出によって惑星状星雲が形成される。[97]超新星の残骸は高密度の中性子星、または恒星の質量が太陽の 3 倍以上であればブラックホールとなる。[98]太陽の周りを接近して周回する連星は、白色矮星の伴星への質量移動など、より複雑な進化の道をたどる可能性があり、これが超新星を引き起こす可能性がある。[99]惑星状星雲と超新星は、核融合によって恒星で生成された「金属」を星間物質に分配する。これらがなければ、すべての新しい恒星 (およびその惑星系) は水素とヘリウムのみから形成されることになる。[100]
太陽天文学
最も頻繁に研究されている恒星は太陽で、地球から約8光分の距離にあります。太陽は、恒星クラスG2Vの典型的な主系列矮星で、年齢は約46億年です。太陽は変光星とは見なされていませんが、太陽黒点周期と呼ばれる活動の周期的な変化を起こしています。これは、太陽黒点数の11年周期の振動です。太陽黒点は、激しい磁気活動に関連する平均よりも低い温度の領域です。[101]
太陽は主系列星になって以来、明るさが着実に40%増加しています。太陽はまた、地球に大きな影響を与える可能性のある定期的な明るさの変化を経験しています。[102]たとえば、マウンダー極小期は中世の小氷期現象を引き起こしたと考えられています。 [ 103 ]
太陽の中心には核領域があり、核融合が起こるのに十分な温度と圧力がある。核の上には放射領域があり、プラズマが放射によってエネルギー流を運ぶ。その上には対流領域があり、ここではガス物質が主に対流と呼ばれるガスの物理的な変位によってエネルギーを運ぶ。対流領域内の質量の移動が太陽黒点を生成する磁気活動を生み出すと考えられている。[101]太陽の目に見える外面は光球と呼ばれている。この層の上には彩層と呼ばれる薄い領域がある。これは急速に温度が上昇する遷移領域に囲まれ、最後に過熱されたコロナに囲まれている。[61] : 498–502
プラズマ粒子の太陽風は、太陽系の最も外側の限界であるヘリオポーズに達するまで、太陽から絶えず流れ出ている。太陽風が地球を通過すると、地球の磁場（磁気圏）と相互作用して太陽風を偏向させるが、一部は閉じ込められ、地球を包むヴァン・アレン放射線帯を形成する。オーロラは、太陽風粒子が磁束線によって地球の極地域に導かれ、そこから磁束線が大気圏に降りてくるときに生成される。[104]
惑星科学
惑星科学は、太陽を周回する惑星、衛星、準惑星、彗星、小惑星、その他の天体、および太陽系外惑星の集合体を研究する学問である。太陽系は、当初は望遠鏡で、後には宇宙船によって、比較的よく研究されてきた。これにより、太陽系の形成と進化に関する全体的な理解が得られてきたが、現在でも多くの新しい発見がなされている。[105]
太陽系は、内側太陽系（内惑星と小惑星帯に細分化される）、外側太陽系（外惑星とケンタウロス族に細分化される）、彗星、太陽系外縁領域（カイパーベルトと散乱円盤に細分化される）、最遠領域（例えば、太陽圏の境界やオールトの雲など、1光年まで広がることもある）に分けられる。内側地球型惑星は、水星、金星、地球、火星で構成される。外側の巨大惑星は、ガス惑星（木星と土星）と氷惑星（天王星と海王星）である。[106]
惑星は46億年前、初期の太陽を取り囲んでいた原始惑星系円盤で形成された。重力による引力、衝突、集積などの過程を経て、円盤は物質の塊を形成し、時とともに原始惑星となった。その後、太陽風の放射圧によって集積されなかった物質のほとんどが放出され、十分な質量を持つ惑星だけがガス状の大気を保持した。惑星は、月にある多くの衝突クレーターによって証明されているように、激しい衝突の期間中に残りの物質を一掃、または放出し続けた。この期間中に、いくつかの原始惑星が衝突し、そのような衝突の1つが月を形成した可能性がある。[107]
惑星が十分な質量に達すると、惑星分化の過程で密度の異なる物質が内部で分離する。この過程でマントルと外殻に囲まれた石質または金属質の核が形成される。核には固体と液体の領域が含まれることがあり、惑星の核の中には独自の磁場を生成するものもあり、太陽風による大気の剥離を防ぐことができる。[108]
惑星や衛星の内部熱は、その天体を形成した衝突、放射性物質（ウラン、トリウム、26 Alなど ）の崩壊、または他の天体との相互作用による潮汐加熱によって生成される。一部の惑星や衛星は、火山活動や地殻変動などの地質学的プロセスを引き起こすのに十分な熱を蓄積する。大気を蓄積または保持するものは、風や水による表面浸食を受けることもある。潮汐加熱のない小さな天体はより急速に冷却され、衝突クレーターを除いて地質学的活動は停止する。[109]
学際研究
天文学と天体物理学は、他の主要な科学分野と重要な学際的なつながりを発展させてきました。考古天文学は、考古学的および人類学的証拠を利用して、文化的背景における古代または伝統的な天文学を研究する分野です。宇宙生物学は、宇宙における生物システムの出現と進化を研究する分野であり、特に地球外生命の可能性に重点を置いています。天体統計学は、統計を天体物理学に応用し、膨大な量の観測天体物理学データを分析する分野です。[110]
宇宙に存在する化学物質の研究は、その生成、相互作用、破壊を含め、天体化学と呼ばれます。これらの物質は通常、分子雲に存在しますが、低温の恒星、褐色矮星、惑星にも存在することがあります。宇宙化学は、太陽系内に存在する化学物質の研究であり、元素の起源や同位体比の変化などが含まれます。これら 2 つの分野は、天文学と化学の分野が重なり合っています。最後に、「法医学天文学」として、天文学の手法は美術史の問題[111] [112]や、時には法律の問題の解決に使用されています。[113]
アマチュア天文学
天文学はアマチュアが最も貢献できる科学の一つです。[114]
アマチュア天文学者は、一般的には、消費者向けレベルの機器や自分で作った機器を使って、さまざまな天体や現象を観測します。アマチュア天文学者の一般的な観測対象には、太陽、月、惑星、恒星、彗星、流星群、星団、銀河、星雲などのさまざまな深宇宙の天体などがあります。天文クラブは世界中にあり、その多くは、会員が観測プログラムを設定して完了するのを支援するプログラムを持っており、その中には、夜空の興味深い地点を記載したメシエ（110個の天体）またはハーシェル400カタログのすべての天体を観測するプログラムも含まれています。アマチュア天文学の1つの分野である天体写真では、夜空の写真を撮ることが含まれます。多くのアマチュアは、興味のある特定の天体、天体の種類、またはイベントの種類の観測を専門にすることを好みます。[115] [116]
アマチュアの多くは可視波長で観測を行っているが、可視スペクトル以外の波長で実験を行っている者も多い。これには従来の望遠鏡に赤外線フィルターを取り付けたり、電波望遠鏡を使用したりすることが含まれる。アマチュア電波天文学の先駆者はカール・ヤンスキーで、1930年代に電波波長で天体を観測し始めた。アマチュア天文学者の多くは自家製の望遠鏡を使用するか、もともと天文学研究用に作られたが現在はアマチュアが利用できる電波望遠鏡（ワンマイル望遠鏡など）を使用している。[117] [118]
アマチュア天文学者は天文学の分野に科学的貢献を続けており、天文学はアマチュアが今でも重要な貢献をできる数少ない科学分野の一つである。アマチュアは掩蔽測定を行って小惑星の軌道を改良することができる。また、彗星を発見したり、変光星を定期的に観測したりすることもできる。デジタル技術の進歩により、アマチュアは天体写真の分野で目覚ましい進歩を遂げることができた。[119] [120] [121]
天文学における未解決の問題
21 世紀の天文学には、未解決の重要な疑問が残っています。そのいくつかは宇宙規模のものです。たとえば、暗黒物質と暗黒エネルギーとは何でしょうか。これらは宇宙の進化と運命を左右しますが、その真の性質は未だにわかっていません。[122]宇宙の最終的な運命はどうなるのでしょうか。[123]宇宙のリチウムの豊富さが、標準的なビッグバンモデルで予測されるよりも 4 倍も少ないのはなぜでしょうか。 [124]他にも、より具体的な現象に関する疑問があります。たとえば、太陽系は正常ですか、それとも異常ですか。[125]恒星の質量スペクトルの起源は何ですか。つまり、なぜ天文学者は、初期条件に関係なく、恒星の質量の同じ分布 (初期質量関数) を観測するのでしょうか。 [126]同様に、最初の銀河の形成、[127]超大質量ブラックホール の起源、[128]超高エネルギー宇宙線の源、[129]などについても疑問が残っています。
宇宙には他の生命が存在するのか？特に、他の知的生命体は存在するのか？もし存在するなら、フェルミのパラドックスはどのような説明がつくのか？他の場所での生命の存在は、科学的、哲学的に重要な意味を持つ。[130] [131]
参照
リスト
- 天文学用語集 – 天文学の研究でよく使われる用語と概念の定義の一覧
- 天文機器の一覧 – 天文データを観測、測定、または記録するための装置
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- 天文学の頭字語一覧
- 天文学研究・教育用ソフトウェア一覧
参考文献
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[天体物理学] は、一方では天文学と密接に関連しており、天文学の一分野として適切に分類できますが、他方では化学や物理学と密接に関連しています。… 天体の位置や空間内での動きではなく、天体の性質、つまり天体がどこ
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あるのかではなく、天体が何であるかを
突き止めよ
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外部リンク
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