天文検定問題 その10

大問1

宇宙の最初は何があっただろうか？

宇宙の始まりは何もなかった。確率的揺らぎにより、指数関数的な急膨張によって宇宙は突如出現した。この急膨張を(A)と呼ぶ。その後、ビッグバンと呼ばれる大爆発が起こったと言われている。ビッグバンという名称を命名したのは科学者の(A)である。
宇宙の始まりがまだ何も分かっていなかった当時は色々な論が提唱されていた。その中で、宇宙は大爆発によって加速度的に広がりだしたという膨張宇宙論の話を聞いた(A)は、そんなことあるわけがないと揶揄し、ビッグバンと呼びだしたのである。膨張宇宙論を提唱した科学者(B)は、その言葉を気に入って使い始めたという。

ビッグバンが起きた証拠は偶然発見された。1964年、アーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンが電波望遠鏡を観測していた際、宇宙のあらゆる方向から3Kに相当する黒体放射が観測されている事に偶然気付いた。これは、大昔に高温だった宇宙が膨張する事で温度が徐々に冷やされ、その結果3Kにまで冷やされた事の証拠であるとみなされたのである。この3Kの電磁波放射を(D)と呼ぶ。(D)を観測すると、たったの\(10_{-5}\)程度の微小な温度のばらつきしか存在しない。この温度のばらつきを(E)と呼ぶ。

(D)の観測によって、宇宙は約(①)年前に誕生したと考えられている。
また、(A)の概念を提唱したのはアメリカの宇宙物理学者(F)と日本の宇宙物理学者の(G)とされている。この2人は同時期に(A)の概念を独立に提唱した。

ビッグバンが起きてからすぐに星が誕生したわけではない。宇宙が誕生したばかりの頃は電離したH₂やHeの原子核、電子などが飛び交うほどの高温であり、光は高密度の荷電粒子の中をなかなか進むことが出来なかった。これらの荷電粒子に吸収され、再放出されを繰り返していた。
宇宙の膨張が進むにつれ、段々と冷えてきたことで荷電粒子の高密度ガスが消えて光が直進できるようになった。これを(H)と呼ぶ。(H)が起きたのは宇宙誕生から約38万年後のことである。

その後、宇宙空間に存在するダークマターの偏りによって、星間ガスが濃く存在する部分でガスが集まり、恒星が誕生していったのである。最初に誕生した星を(I)と呼び、(I)が誕生するまでの期間を(J)と呼ぶ。(J)は宇宙誕生から約2億年もかかっているのである。

(I)が誕生して以降、恒星が次々に輝きだし、強い紫外線によって周りのH₂ガスが再びプラズマ状態になっていった。これを(K)と呼ぶ。

宇宙誕生から10億年後にはクエーサーが誕生し、クエーサー誕生から約20億年後には天の川銀河が誕生した。それから約60億年後 (宇宙誕生から約90億年後)、太陽と地球が誕生したのである。

地球を含む、太陽系の惑星が出来た有力な説として、(L)がある。(L)では、原始太陽系円盤の中の塵が集まる事で微惑星となり、それらが合体する事で太陽系の惑星が出来たとされている。

月が出来たのは地球が誕生した頃とほぼ同時期とされている。月が出来た有力な説として、原始地球(地球の原形)に火星程度の大きさの原始惑星が衝突し、飛び散った破片が集まり、約1ヶ月かけて月が誕生したという。これを(M)と呼ぶ。

原始惑星系円盤において、水が氷になれる基準線が存在する。これを(N)と言い、岩石惑星とが姿惑星の境界線である。太陽系の場合、中心星から3AU程度(火星と木星の間)に位置しており、木星が巨大なガス惑星になれたのはこの基準線がちょうどいい位置にあったからである。

地球に生命が誕生したのは、地球誕生から約8億年後(宇宙誕生から約100億年後)である。生命が誕生した説として、スヴェンテ・アレニウスが提唱した(O)がある。ギリシャ語で「種を播く」という意味で、地球最初の生命は宇宙からやってきたという仮説である。スヴェンテ・アレニウスは著書『宇宙の成立』を著している。

その後の宇宙がどうなるのかは分からないが、一説によると50億年後に太陽が赤色巨星に進化し、100兆年後には全ての恒星が輝かなくなり、\(10^{31}\)億年後には陽子が崩壊し、\(10^{100}\)年後にはブラックホールが蒸発して無くなるとされている。

問1. 空欄(A)～(E)に入る言葉を答えよ。
問2. 空欄(①)について、下の選択肢の中から一番近い数字を答えよ。
　[ a. 108億(年), b. 118億(年), c. 128億(年), d. 138億(年)]
問3. 空欄(F)～(O)に入る言葉を答えよ。

大問1 答え

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問1. A. インフレーション, B. フレッド・ホイル, C. ジョージ・ガモフ, D. 宇宙マイクロ波背景放射 (別名:CMB), E. 温度揺らぎ
　 　CMBはCosmic Microwave Background Radiationの略
問2. d. 138億(年)
問3. F. アラン・グース, G. 佐藤勝彦 (さとうかつひこ), H. 宇宙の晴れ上がり, I. ファーストスター, J. 宇宙の暗黒時代, K. 宇宙の再電離, L. 京都モデル, M. ジャイアント・インパクト説, N. 雪線 (せっせん) (スノーライン), O. パンスペルミア説

大問2

プランクの法則によって、黒体放射によって発生する電磁波の波長は温度に反比例事を見てきた。高温の星ほど青色に輝き、低温の星ほど赤色に輝くことが分かった。
では、星の明るさと色の関係が分かったので、これを元に構成を分類してみる。

縦軸に絶対等級(または相対光度)を、横軸に表面温度(またはスペクトル、または色指数)をとったグラフを(A)と呼ぶ。略してHR図と書くこともできる。

スペクトルはMK分類(詳しくは後述)で表している。この他に、横軸を色指数B-V(こちらも詳しくは後述)で表す事も出来る。HR図の中でも、特に色指数B-Vで表したものを色等級図という。
HR図を用いることで、

• 星団の進化の段階
• 星までの距離
• 星の質量

が分かるのである。特に、大質量の星ほど短寿命であり、低質量の星ほど長寿命になる。
HR図上で左上から斜めにかけて配置するものが(①)、一番右下に位置するのが(②)、右上に位置するのが(③)、左下に位置するのが(④)である。また、一番左上に位置するものは質量が非常に大きい星が進化の最終段階を迎えた状態であり、特に(B)と呼ぶ。

また、HR図上で前主系列星の進化の過程を見ると、質量が小さいとほぼ真下に移動して(②)に、質量が大きいと左上に移動して(①)になる。これを図示したのが下の赤矢印(C)と青矢印(D)である。

星自身の半径が周期的に変動して明るさを変える脈動変光星の中でも、下図(HR図の一部をピックアップ)の赤色領域に位置する物を特に(E)と呼ぶ。そして、この赤色領域を(F)と呼ぶ。(F)領域の表面温度は約5000K～8000Kとなっている。

(E)は絶対等級が明るいものほど変更周期が長いという周期光度関係の性質を持つ。これを(G)の法則と呼ぶ。天文学者にとって、これは非常に嬉しい性質である。なぜならば、変更周期を調べる事で、必然的に絶対等級が分かる。これを、地球から観た時の見かけの等級と比較する事で、地球から(E)までの距離が高精度で分かるのである。

(E)との距離だけでなく、銀河との距離も高精度で測ることが出来る。地球と銀河との距離を調べたい場合、その銀河内に存在する(E)を見つければよい。なぜなら、対象銀河の中心と(E)の距離は、地球と対象銀河の中心との距離に比べると無視できるくらい小さい。従って、地球と対象銀河との距離は、地球と(E)との距離で近似できるのである。

次に、色指数についてみていこう。
色指数とは、2つの異なる色フィルターを通して測定したときの等級差の事である。

ウィーンの変位則より、色のちがいによって恒星の表面温度が異なる。つまり、恒星を表面温度で議論するだけでなく、色によって議論する事も出来る。ただし、宇宙膨張による赤方偏移は無視しているため、天の川銀河等の最寄りの星を対象にする事が多い。

色指数で用いるフィルターでは、特定の波長域の光のみを透過する(H)を用いる。代表的なフィルターには、Bバンドフィルター、Iバンドフィルター、Rバンドフィルター、Uバンドフィルター、Vバンドフィルター等がある。これらは透過する領域によって名称が異なる。_⑤ これらのフィルターのうち、BバンドとVバンドの等級差をB-V色指数と呼んでいる。参考までに横軸にB-V色指数をとったHR図を載せる。

Bバンドでの等級をB、Vバンドでの等級をVとする。B-V色指数では\(\frac{B}{V}\)で見ているため、以下のようになる。

• 青い星はVバンドよりもBバンドの方が明るく見えるため、B<Vとなる
• 赤い星はBバンドよりもVバンドの方が明るく見えるため、V<Bとなる
• 赤い星ほどB-V値が大きくなる

次に、スペクトルの分類方法の1つであるMK分類についてみていく。
MK分類とは、この分類を提唱した天文学者もモーガンとキーナンの名前に由来する。温度の高い順に、O、B、A、F、G、K、M、L、T、Yとなっている。アルファベットの順番がバラバラになっているのは、スペクトル型と天体の温度が対応していると分かったのがMK分類後に分かったからである。O型になるにつれて高温になり、Y型になるにつれて低温になる。
ここで、「MK分類のB」と「B-VバンドのB」は別物である事に注意してほしい。
(この並びの覚え方として、「Oh, Be A Fine Girl Kiss My Lips, Tonight, Yah!」がある)

MK分類のスペクトルの色分布(これを連続スペクトルという)を以下に示す。
この図は黒体放射のスペクトル図を可視光領域で切り抜けば描くことが出来る。

図を見ると、太陽スペクトルと同様に所々に暗線(これを吸収スペクトルという)があるのが見て取れる。吸収スペクトルが現れる理由は、恒星に存在する元素によって電磁波が吸収されているからである。各型についてもう少し詳しく見ていく。

• O型
  寿命が一番短い
  高温のため金属線はほとんど見られない上、Hは電離してしまう。
  従って、吸収線が弱くなっている
• B型
  H₂からHeを合成して安定して輝いている星が多い
  寿命が短いため、若い散開星団や星団ほど星が密集していないものの、生まれたばかりの星がある程度集まっている
  従って、星落などにこの星が多い。一方で、老いた星の集まりである球状星団にはこの型の星は通常含まれない
• A型
  H₂の吸収線がいくつか見られる
  Hα : 656nm, Hβ : 486 nm, Hγ : 434 nm
• F型
• G型
  金属元素の吸収線が現れやすい表面温度なので、金属線が多くみられる
• K型
• M型
  赤色の光が最も強い
  Na等のイオン化されやすい原子の吸収線が見られる
  Na : 589 nm

また、(①)から右上へ折れ曲がる点を(I)という。ある星団の星々をHR図でプロットした際、B-V色指数値の小さい転向点を持つ星団ほど若いことが知られている。これによって、HR図上の(I)の位置によって星団の年齢を推定する事が出来る。散開星団M45と球状星団M3の例を以下に示す。

図を見ると(I)の位置の違いは明らかであり、若い星の集まりである散開星団の(I)は左に位置し、年老いた星の集まりである球状星団の(I)は散開星団に比べて右に位置している。

問1. 空欄(A)に入る言葉を答えよ。
問2. 空欄(①)～(④)には以下のいずれかが入る。正しい組み合わせを答えよ。
　[a. 褐色矮星, b. 白色矮星, c. 主系列星, d. 赤色巨星, e. 中性子星, f. ブラックホール]
問3. 空欄(B)に入る言葉を答えよ。
問4. 空欄(C), (D)について、それぞれの移動は何と呼ばれているか答えよ。
問5. 太陽質量3_☉の星が誕生してから死ぬまでの経路をHR図で描け。
問6. 空欄(E)～(H)に入る言葉を答えよ。
問7. 下線部⑤について、下記波長域のうち「Bバンド」および「Vバンド」波長域はそれぞれどれか？
　[a. 赤外線領域, b. 赤色領域, c. 黄色から緑色領域, d. 青色領域, e. 紫外線領域]
問8. 空欄(I)に入る言葉を答えよ。
問9. 次の恒星について、MK分類を行え。
　 　[a. 太陽, b. ベテルギウス, c. リゲル, d. ポルックス]

問2 答え

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問1. A. ヘルツシュプルング=ラッセル図
問2. ① c. 主系列星, ② a. 褐色矮星, ③ d. 赤色巨星, ④ b. 白色矮星
問3. B. ウォルフ・ライエ星 (WR星)
問4. C. 林トラック, D. ヘニエイトラック
問5. 下記に示す (前主系列星→主系列星→赤色巨星→白色矮星となる)
問6. E. セファイド型変光星 (ケフェイド型変光星), F. セファイド不安定帯, G. リービットの法則, H. バンドパスフィルター
問7. Bバンド : d. 青色領域, Vバンド : c. 黄色から緑色領域
　 　(Iバンド : a. 赤外線領域, Rバンド : b. 赤色領域, Uバンド : e. 紫外線領域 となる)
問8. I. 転向点(てんこうてん)
問9. a. 太陽 : G型
　 　b. ベテルギウス : M型
　 　c. リゲル : B型
　 　d. ポルックス : K型

問3

問3 答え

天文学の発展に貢献しているものの、そこまで知られていない科学者を列挙していく。

• ジョン・ハーシェル
  天王星を発見したウィリアム・ハーシェルの息子である天文学者
  1等級の明るさの差が2.5倍であることを発見した
• ノーマン・(A)
  1等級と6等級の明るさの差を100倍で定義し、星の明るさの比と等級差を数式で定義した。これを(A)の式と呼ぶ。
• フリードリヒ・ヴィルヘルム・ベッセル
  (B)座61番星を観察することにより、年周視差を発見した。
  ※同時期に、ヘンダーソンがケンタウルス座α星の年周視差を測定している。
• ピエール・ジャンサン
  太陽光の観測中、(C)のスペクトル線偶然発見した。
  (C)はギリシャ語で「太陽」を意味する言葉を語源とする。
• ピーター・ゼーマン
  原子を磁場中においたとき、原子から放出される電磁波のスペクトル分離を発見した。これをゼーマン効果という。(原子を電場中に置いた時のスペクトル分離はシュタルク効果という)
• ノーマン・ノッキャー
  太陽の観測を行ったことで有名
  ピエール・ジャンサンとは同時期に(C)のスペクトル線を発見した。
• (D)
  ノーマン・ノッキャーの観測結果と、ピーター・ゼーマンの発見を元に黒点に磁場がある事を発見した。

問1. 空欄(A)～(D)に入る言葉を答えよ。
問2. 「みかけの明るさの比」が「等級の差」に等しい事を元に(A)の式を導出せよ。ただし、2つの星のみかけの明るさをそれぞれ\(F_{1}\), \(F_{2}\)、2つの星の等級をそれぞれ\(m_{1}\), \(m_{2}\)とする
問3. 問2の結果を用いて、絶対等級と見かけの等級の換算式を導出せよ。ただし、絶対等級を\(M\)、見かけの等級を\(m\)、地球と天体との距離を\(d [pc]\)とする。

答えはこちら

問1. A. ポグソン, B. はくちょう (座), C. ヘリウム D. ジョージ・ヘール
問2. 次ページに記載
問3. 次ページに記載

大問4

小問集合となっている。

• 古代中国の5惑星と五行思想を以下になる。

5惑星	惑星	特徴
水星	辰星 (しんせい)
金星	(A)	宮城県仙台市の(A)山は金星が落ちてきたという伝承がある
火星	螢惑 (けいこく)	災いの前兆とも言われる
木星	歳星 (さいせい)	黄道を12年で1周することに由来
土星	填星 (てんせい)	どっしりと動かない

五行	色	季節	守護神
木	青	春	青龍
火	朱	夏	朱雀
土	黄	–	黄竜
水	黒	玄冬	玄武
金	白	秋	白虎

• 天文学で用いられる英語を以下にいくつか示す

英語	日本語
mass	質量
star cluster	星団
nebula	星雲
bulge	バルジ
equator	(B)
celestial sphere	天球
celestial equator	天の(B)
solar (C)	日食
total solar (C)	皆既日食
annular (C)	金環食
magnitude	等級
rotation	自転
revolution	公転
libraton	秤動 (ひょうどう)
comit	彗星

• おおぐま座など、1年中地平線に沈まない星の事を(D)と呼ぶ。
• 小説『宇宙戦争』を書いたイギリスの作家は(E)である。
• 現在の太陽系の惑星の中で、環を持つ惑星は全部で4つのみ_①である。

問1. 空欄(A)～(E)に入る言葉を答えよ。
問2. 下線部①について、4つの惑星を全て答えよ。
問3. 次の文章のうち、間違っているものを3つ選べ。
　1. ラテン語で「跪くものの頭」という意味がある、ヘラクレス座のα星はラス・アルゲティである。
　2. ラテン語で「小さな雌山羊」という意味がある、ぎょしゃ座のα星はカペラである。
　3. 和名を「青星」という、セイリオスを語源とする星はシリウスである。
　4. ペガススの四辺形の中で、唯一アンドロメダ座にある星はマルカブである。
　5. 秋の1つ星と呼ばれるのは、みなみのうお座のα星フォーマルハウトである。
　6. アルデバランやアルタイルの「アル」とは、アラビア語の定冠詞(英語のtheに相当するもの)である。
　7. 国旗に月が書かれている国の中でも、新月旗と呼ばれるのはマレーシアである。
　8. 天の川(ミルキーウェイ)はゼウスの妻・ヘラの乳が流れる様子を表しており、その乳を飲んで育ったのはヘラクレスである。
　9. 医学の神アスクレピオスがモチーフとなっているへび使い座であり、α星はラス・アルハゲである。
　10. アスクレピオスを育てたとされる、ケンタウルス族の人物はケイローンである。
　11. カストルとポルックスの母で、ゼウスが白鳥になって近づいた人物とされているはレダである。
　12. ゼウスが王女エウロパに近づくために化けた動物は、おうしである。
　13. ゼウスはティターン神族と戦い(ティタノマキア)、巨人族とも戦った(ギガントマキア)。
　14. 北欧神話のオーディンはアース神族であり、ヴァン親族との戦いがラグナロクである。
　15. おおぐま座とこぐま座は、アルカスとその息子カリストをモチーフにしている。

大問4 答え

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問1. A. 太白 (たいはく), B. 赤道, C. eclipse, D. 周極星, E. H.G. ウェルズ
問2. 木星、土星、天王星、海王星
問3. 4 (唯一アンドロメダ座にある星はアルフェラッツである)
　 　8. (新月旗はトルコの国旗の事)
　 　15. (カリストの息子がアルカスである)
　 　親子ペアは、他にもアポロンとオルフェウス、ゼウスとペルセウス、ポセイドンとオリオンが挙げられる。