天文学
学習目標
このセクションの終わりには、以下のことができるようになることでしょう。
- 天の川銀河の構造と、天文学者がそれを発見した方法を説明できる
- 円盤銀河の渦状腕の形成に関する理論モデルを比較できる
天文学者は、冷たい水素から来る21cm線を発見してから、天の川の渦状構造のマッピングに多大な進歩を与えることができました（「星の間：宇宙におけるガスと塵」を参照のこと）。 星間ダストの影響により、可視光線では円盤内の遠くの星を見ることができないことを忘れないでください。 しかし、波長21cmの電波はダストを通過するため、銀河系内の水素原子を検出することができます。 さらに最近、円盤内の星から放射される赤外線を観測し、塵のない銀河系の星の分布が明らかになりました。
天の川の腕
円盤のガス状成分の電波観測から、銀河系には棒から出る2本の大きな渦巻き腕と、それより暗いいくつかの腕や短い突起があることがわかりました。 図1.
図1である。 天の川銀河の棒と腕：天の川銀河を上空から見たところ。 NASAのWISEミッションのデータから作成されたこの画像では、天の川銀河の中心部には適度な棒があることがわかります。 棒の両端からは、「すかし座」と「ペルセウス座」という二つの渦巻き状の腕が出ており、バルジを取り囲んでいる。 いて座と外側の腕は、他の2本の腕に比べ、星の数が少なくなっている。 (出典：NASA/JPL-Caltech/R.Modification of work by NASA/JPL-Caltech) Hurt (SSC/Caltech))
太陽はオリオン・スパーと呼ばれる約1万光年の短い腕の内縁近くにあり、白鳥座リフト（夏の天の川の大暗黒星雲）や明るいオリオン星雲などの目立った特徴をもっている。 図2は、この小さな銀河の一部を共有している、私たちが見やすい天体をいくつか示しています。 自分の腕から遠くを見ようとすればするほど、銀河の中の塵が溜まって可視光では見えにくくなることを忘れないでください。
図2. オリオン座の渦巻き。 太陽は、2本の腕の間にある小渦巻き腕のオリオン座にある。 この図で、白線は太陽と同じ特徴を持つ他の注目すべき天体を示している。 (credit: modification of work by NASA/JPL-Caltech)
Formation of Spiral Structure
太陽からその中心までの距離では、銀河系は固体車輪やプレーヤー内のCDのように回転しているわけではないんだ。 その代わり、銀河の中心を中心に個々の天体が回転する様子は、どちらかというと太陽系に似ています。 星も、ガスや塵の雲も、ケプラーの第三法則に従っている。 中心から遠い天体は、中心に近い天体に比べて、銀河系の周りを一周するのに時間がかかる。 つまり、銀河系内の大きな軌道を回る星（と星間物質）は、小さな軌道を回る星に遅れをとるのである。 この効果を「差動銀河回転」と呼びます。
差動銀河回転は、なぜ天の川の円盤にある物質の多くが、渦巻き状の腕のような細長い構造に集中しているのかを説明するように見えます。 もともとの物質の分布がどうであれ、銀河の自転の違いによって、渦巻き状に伸びることができるのです。 図3は、2つの不規則な星間物質の塊から渦巻き状の腕が作られた様子を示しています。 銀河の中心に近い塊が速く動くと、遠い塊が後ろにずれていくことに注目しよう。
ハッブル宇宙望遠鏡の登場により、非常に遠い銀河の構造を観察し、130億年以上前に形成が始まった直後の銀河がどのようなものであったかを見ることができるようになりました。 その結果、初期の銀河は、明るい星形成領域はあっても、規則的な渦巻き構造はないことがわかりました。
その後、数十億年かけて、銀河は「落ち着き」始めました。
その後数十億年かけて、銀河は “落ち着き “を見せ始め、渦巻きになる銀河は、巨大な塊を失い、中心部が膨らんできました。 その結果、銀河の乱流が減少し、星やガスの運動は自転が支配的になり、星はより静かな円盤の中で形成されるようになりました。 小さな星形成の塊は、ぼんやりとした、あまりはっきりしない渦巻き状の腕を形成し始めた。 明るくはっきりとした渦巻きの腕が現れ始めたのは、銀河が約36億歳になってからです。 当初は、はっきりとした2本の腕があった。
銀河の歴史については、「銀河の進化と分布」でもう少し詳しく説明します。
科学者たちは、スーパーコンピューターによる計算で、腕の形成と進化をモデル化しています。 これらの計算は、最大1億個の「星の粒子」の運動を追跡し、重力によって渦巻き構造を形成させることができるかどうかを確認するものです。 その結果、巨大な分子雲（『星々の間：宇宙のガスと塵』で紹介）は、周囲に十分な重力の影響を及ぼし、渦巻き状の腕のような構造を形成することがわかりました。 この渦状腕は、少なくとも数十億年間は自己増殖し続けることができます。 星が生まれたり消えたりすることで、腕の明るさが変化することもあるが、一時的な特徴ではない。
Key Concepts and Summary
銀河の円盤内のガス状分布は、中央の棒の端から出る2本の主渦巻き腕と、いくつかの暗い腕と短い突出部があり、太陽はそのうちの1つに位置しています。 銀河系は固体として回転しているのではなく、星やガスが差動回転しており、銀河の中心に近い物質ほど早くその軌道を終えることが測定からわかっている。 天の川銀河のような銀河は、形成されてから数十億年かけて渦巻き構造を形成することが観測からわかっている。
用語解説
銀河の差動回転。
銀河の異なる部分が異なる速度で回転するという考え方。銀河の各部分はケプラーの第三法則に従っており、遠い天体ほど銀河の中心を1周するのに時間がかかる
渦巻き状の腕のこと。
渦巻銀河の円盤に見られる、比較的濃い星間物質と若い星で特徴づけられる渦巻き状の領域。