天文学

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超新星残骸であるかに星雲の巨大なハッブルモザイク
ラシヤ天文台から見た天の川

天文学（ギリシャ語から：ἀστρονομία、文字通り星の法則を研究する科学を意味します）は、天体と現象を研究する自然科学です。それはそれらの起源と進化を説明するために数学、物理学、そして化学を使用します。関心のあるオブジェクトには、惑星、月、星、星雲、銀河、彗星などがあります。関連する現象には、超新星爆発が含まれます。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。より一般的には、天文学は地球の大気を超えて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。[1]

天文学は最も古い自然科学の1つです。記録された歴史の初期の文明は夜空の系統的な観察をしました。これらには、バビロニア人、ギリシャ人、インド人、エジプト人、中国人、マヤ、および南北アメリカの多くの古代先住民が含まれます。過去には、天文学には、位置天文学、天体航法、観測天文学、カレンダーの作成など、さまざまな分野が含まれていました。今日、プロの天文学は天体物理学と同じであるとよく言われます。[2]

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焦点を当てています。次に、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。理論的な天文学は、天体や現象を説明するためのコンピューターまたは分析モデルの開発に向けられています。これらの2つのフィールドは互いに補完し合っています。理論天文学は観測結果を説明しようとし、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、一時的なイベントの発見と観察に特に当てはまります。アマチュア天文学者は、新しい彗星を見つけるなど、多くの重要な発見を手伝ってきました。

語源

天文台、ニューサウスウェールズ、オーストラリア1873
19世紀のキト天文台は、エクアドルのキトにある赤道の南12分にあります。[3]

天文学（ギリシャ語の ἀστρονομίαからἄστρονastron 、「star」および-νομία - nomiafromνόμοςnomos 、「law 」または「culture」）は「星の法則」（または翻訳によっては「星の文化」）を意味します。天文学は占星術と混同されるべきではありません。占星術は、人間の問題が天体の位置と相関していると主張する信念体系です。[4] 2つのフィールドは共通の起源を共有していますが、現在は完全に区別されています。[5]

「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」は同義語です。[6] [7] [8]厳密な辞書の定義に基づいて、「天文学」は「地球の大気外の物体や物質、およびそれらの物理的および化学的性質の研究」を指します[9]、「天体物理学」は「天体や現象の振る舞い、物性、動的過程」を扱う天文学の分野。[10]場合によっては、フランク・シューによる入門教科書The Physical Universeの紹介のように、「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ことがありますが、「天体物理学」は 主題の物理指向バージョンを説明するために使用されます。[11]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可能性があります。[6]位置天文学などの一部の分野は、天体物理学ではなく、純粋に天文学です。科学者がこの主題について研究を行うさまざまな部門では、「天文学」と「天体物理学」を使用する場合があります。これは、その部門が歴史的に物理学部門と提携しているかどうかによって異なります[7]。多くのプロの天文学者は天文学の学位ではなく物理学を持っています。[8]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、および天文学＆天体物理学。

歴史

オランダの地図製作者フレデリックデウィットによる17世紀の天体地図

古代

初期の歴史的な時代には、天文学は肉眼で見える物体の動きの観察と予測だけで構成されていました。いくつかの場所では、初期の文化は、おそらく天文学的な目的を持っていた巨大な人工物を集めました。儀式用に加えて、これらの天文台は季節を決定するために使用できます。これは、作物を植える時期を知り、1年の長さを理解する上で重要な要素です。[12]

望遠鏡などの道具が発明される前は、肉眼を使って星の初期の研究が行われていました。文明が発展するにつれて、特にメソポタミア、ギリシャ、ペルシャ、インド、中国、エジプト、および中央アメリカで、天文台が集められ、宇宙の性質に関するアイデアが発展し始めました。最も初期の天文学は、星と惑星の位置をマッピングすることで構成されていました。これは現在、位置天文学と呼ばれている科学です。。これらの観測から、惑星の動きについての初期の考えが形成され、宇宙の太陽、月、地球の性質が哲学的に探究されました。地球は、太陽、月、星がその周りを回転している宇宙の中心であると信じられていました。これは、宇宙の天動説、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システムとして知られています。[13]

Suryaprajnaptisūtra、ロンドンのスコイエンコレクションにあるジャイナ教の紀元前6世紀の天文学のテキスト。上： cからの原稿。西暦 1500年。[14]

特に重要な初期の発展は、他の多くの文明で発展した後の天文学の伝統の基礎を築いたバビロニア人の間で始まった数学的および科学的な天文学の始まりでした。[15]バビロニア人は、月食がサロスと呼ばれる繰り返しの周期で繰り返されることを発見しました。[16]

ギリシャの赤道日時計、オクサスのアレクサンドリア、現在のアフガニスタン紀元前3〜2世紀

バビロニア人に続いて、天文学の重要な進歩が古代ギリシャとヘレニズムの世界でなされました。ギリシャの天文学は、天文現象の合理的で物理的な説明を求めることによって最初から特徴づけられています。[17]紀元前3世紀に、サモスのアリスタルコスは月と太陽のサイズと距離を推定し、地球と惑星が太陽の周りを回転する太陽系のモデルを提案しました。これは現在、地動説モデルと呼ばれています。[18]紀元前2世紀に、ヒッパルコスは歳差運動を発見しました、月のサイズと距離を計算し、アストロラーベなどの最も初期の既知の天文装置を発明しました。[19]ヒッパルコスはまた、1020の星の包括的なカタログを作成し、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ます。[20]アンティキティラメカニズム（紀元前150〜80年頃）は、特定の日付の太陽、月、惑星の位置を計算するように設計された初期のアナログコンピューターでした。同様の複雑さの技術的人工物は、機械式天文時計がヨーロッパに登場した14世紀まで再現されませんでした。[21]

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。ウォリングフォードのリチャード（ 1292–1336 ）は、最初の天文時計、惑星と他の天体の間の角度の測定を可能にしたレクタングルス、およびアルビオンと呼ばれる赤道の発明を含む、天文学と天文学に大きな貢献をしました。月、太陽、惑星の経度などの天文計算に使用でき、日食を予測できます。ニコル・オレーム（1320–1382）とジャン・ビュリダン （1300–1361）最初に地球の自転の証拠について議論し、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ことができた推進力の理論（現代の科学的慣性理論の前身）も開発しました。[22] ゲオルク・フォン・プイアーバッハ（1423–1461）とレギオモンタヌス（1436–1476）は、数十年後のコペルニクスによる地動説の開発に天文学の進歩をもたらしました。

天文学はイスラム世界と世界の他の地域で栄えました。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ました。[23] [24] [25] 964年、ローカルグループで最大の銀河であるアンドロメダ銀河は、ペルシャのイスラム教徒の天文学者アブドゥルラフマンアルスフィによって彼の星座の書に記述されました。[26] SN 1006超新星は、記録された歴史の中で最も明るい見かけの等級の恒星イベントであり、エジプトのアラビア語天文学者によって観測されました。 アリ・イブン・リドワンと1006年の中国の天文学者。科学に多大な貢献をした著名なイスラム（主にペルシャとアラブ）の天文学者には、アルバッターニー、テビット、アブド・アル・ラーマン・アル・スフィ、ビルーニー、アブ・イシャーク・イブラヒマルが含まれます。 Zarqālī、Al-Birjandi、およびMaraghehとSamarkandの天文台の天文学者。その時の天文学者は、現在個々の星に使用されている多くのアラビア語の名前を紹介しました。[27] [28]

グレートジンバブエとティンブクトゥの遺跡[29]には、天文台があった可能性もあると考えられています。[30]ポストクラシカルな 西アフリカでは、天文学者は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、天のチャート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月に流星群を記録しました。 [31] [32]ヨーロッパ人は以前、サハラ以南のアフリカ では天文観測がなかったと信じていました。植民地時代以前の中世の間、しかし現代の発見はそうではないことを示しています。[33] [34] [35] [36]

6世紀以上の間（中世後期の古代の学習の回復から啓蒙主義へ）、ローマカトリック教会はおそらく他のすべての機関よりも天文学の研究に多くの財政的および社会的支援を与えました。教会の動機の中には、イースターの日付を見つけることがありました。[37]

科学革命

ガリレオのスケッチと月の観察は、表面が山岳地帯であることを明らかにしました。
初期の科学原稿からの天文図、c。1000

ルネサンス期に、ニコラウス・コペルニクスは太陽系の地動説モデルを提案しました。彼の作品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ました。ケプラーは、太陽の周りの惑星の動きの詳細を正しく記述するシステムを最初に考案しました。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成功しませんでした。[38]惑星の動きを最終的に説明したのは、天体力学の発明と重力の法則を備えたアイザックニュートンでした。ニュートンは反射望遠鏡も開発しました。[39]

望遠鏡のサイズと品質の改善は、さらなる発見につながりました。イギリスの天文学者ジョン・フラムスティードは3000を超える星をカタログ化し、[40]ニコラ・ルイ・ド・ラカイユによってさらに広範な星表が作成されました。天文学者のウィリアム・ハーシェルは、星雲とクラスターの詳細なカタログを作成し、1781年に、最初に発見された新しい惑星である天王星を発見しました。[41]

18〜19世紀の間に、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3体問題の研究により、月と惑星の動きについてより正確な予測が行われました。この作品は、ジョセフ・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、惑星と衛星の質量をそれらの摂動から推定できるようになりました。[42]

天文学の重要な進歩は、分光器や写真などの新技術の導入によってもたらされました。ヨゼフ・フォン・フラウンホーファーは、1814年から15年にかけて、太陽のスペクトルに約600のバンドを発見しました。これは、1859年に、グスタフ・キルヒホフがさまざまな元素の存在に起因すると考えました。星は地球自身の太陽に似ていることが証明されましたが、温度、質量、サイズの範囲が広いです。[27]

地球の銀河である天の川の存在は、それ自体の星のグループとして、「外部」銀河の存在とともに、20世紀にのみ証明されました。それらの銀河の観測された後退は、宇宙の膨張の発見につながりました。[43]理論的な天文学は、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てきたブラックホールや中性子星などの物体の存在についての推測につながりました。現代宇宙論は20世紀に大きな進歩を遂げました。1900年代初頭、ビッグバン理論が定式化され、宇宙マイクロ波背景放射、ハッブルの法則、および元素の宇宙論的存在量によって大きく証明されました。宇宙望遠鏡は、通常は大気によって遮断またはぼやけている電磁スペクトルの一部での測定を可能にしました。【要出典】 2016年2月、LIGOプロジェクトが昨年9月に重力波の証拠を検出し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主な情報源は、可視光、または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できます。これらのサブフィールドに関する具体的な情報を以下に示します。

電波天文学

ニューメキシコの超大型アレイ、電波望遠鏡の例

電波天文学は、可視範囲外の約1ミリメートルを超える波長の放射線を使用します。[47]電波天文学は、観測された電波を離散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のは比較的簡単ですが、これは短波長では簡単に測定できません。[47]

一部の電波は、熱放射の産物である天体から直接放射されますが、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放射光の結果です。[47]さらに、星間ガスによって生成されたいくつかのスペクトル線、特に21 cmの水素スペクトル線は、電波波長で観測可能です。[11] [47]

超新星、星間ガス、パルサー、活動銀河核など、さまざまな他の天体が電波波長で観測できます。[11] [47]

赤外線天文学

アルマ天文台は、地球上で最も高い天文台の1つです。チリ、アタカマ。[48]

赤外線天文学は、赤外線よりも長い波長で、私たちの視界の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、惑星、星周円盤、星雲など、光がほこりで遮られているため、冷たすぎて可視光を放射できない物体を研究するのに役立ちます。より長い波長の赤外線は、可視光を遮る塵の雲を透過する可能性があり、分子雲や銀河のコアに埋め込まれた若い星の観測を可能にします。広視野赤外線サーベイエクスプローラー（WISE）からの観測は、多数の銀河原始星とそれらのホスト星団を明らかにするのに特に効果的です。[49] [50]可視光に近い赤外線波長 を除いしたがって、赤外線天文台は、地球上の高く乾燥した場所または宇宙に配置する必要があります。[51]一部の分子は赤外線で強く放射します。これにより、宇宙の化学の研究が可能になります。より具体的には、彗星の水を検出することができます。[52]

光学天文学

マウナケア天文台のすばる望遠鏡（左）とケック天文台（中央）は、どちらも近赤外線と可視波長で動作する天文台の例です。NASA赤外線望遠鏡施設（右）は、近赤外線波長でのみ動作する望遠鏡の例です。

歴史的に、可視光天文学とも呼ばれる光学天文学は、天文学の最も古い形式です。[53]観察の画像は、もともと手で描かれていました。19世紀後半から20世紀のほとんどの間、画像は写真機器を使用して作成されていました。最新の画像は、デジタル検出器を使用して作成され、特に電荷結合デバイス（CCD）を使用して作成され、最新のメディアに記録されます。可視光自体は約4000Åから7000Å（400nmから700nm）まで広がりますが[53] 、同じ装置を使用して近紫外線および近赤外線を観察することができます。

紫外線天文学

紫外線天文学は、約100〜3200Å（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、この波帯で非常に明るいホットブルーの星（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、いくつかの紫外線調査の対象となっている他の銀河の青い星も含まれます。紫外線で一般的に観察される他の物体には、惑星状星雲、超新星残骸、活動銀河核などがあります。[47]しかし、紫外線は星間塵に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

NASAのチャンドラX線天文台によって発見された超大質量ブラックホールから作られたX線ジェットで、初期の宇宙からの光によって可視化されました

X線天文学はX線の波長を使用します。通常、X線放射は、シンクロトロン放射（磁力線を周回する電子の結果）、10 7（1,000万）ケルビンを超える薄いガスからの熱放射、および107ケルビンを超える厚いガスからの熱放射によって生成されます。[47] X線は地球の大気に吸収されるため、すべてのX線観測は、高高度気球、ロケット、またはX線天文学衛星から実行する必要があります。注目すべきX線源にはX線連星が含まれます、パルサー、超新星残骸、楕円銀河、銀河団、活動銀河核。[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短波長で天体を観測します。ガンマ線は、コンプトンガンマ線観測所などの衛星によって直接観測される場合と、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観測される場合があります。[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生成される可視光のフラッシュを検出します。[54]

ほとんどのガンマ線放出源は、実際にはガンマ線バーストであり、フェードアウトする前に数ミリ秒から数千秒間だけガンマ線を生成するオブジェクトです。ガンマ線源のわずか10％が非一時的な線源です。これらの安定したガンマ線エミッターには、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ます。[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、遠距離から発生する他のいくつかのイベントが地球から観測され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などの高度にシールドされた地下施設を使用します。地球を流れるニュートリノの大部分は太陽から発生していますが、超新星1987Aからも24個のニュートリノが検出されました。[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可能性のある非常に高エネルギーの粒子（原子核）で構成され、現在の観測所で検出できる二次粒子のカスケードをもたらします。[55]将来 ニュートリノ検出器は、宇宙線が地球の大気に当たったときに生成される粒子にも敏感である可能性があります。[47]

重力波天文学は、重力波検出器を使用し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す。レーザー干渉計重力天文台 LIGOなど、いくつかの天文台が建設されました。LIGOは、2015年9月14日に最初の検出を行い、連星ブラックホールからの重力波を観測しました。[56] 2015年12月26日に2番目の重力波が検出され、追加の観測を継続する必要がありますが、重力波には非常に感度の高い機器が必要です。[57] [58]

電磁放射、ニュートリノまたは重力波、およびその他の補足情報を使用して行われた観測の組み合わせは、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]

位置天文学と天体力学

星雲のある星団ピスミス24

天文学、そしてすべての科学で最も古い分野の1つは、天体の位置の測定です。歴史的に、太陽、月、惑星、星の位置に関する正確な知識は、天体ナビゲーション（ナビゲーションをガイドするための天体の使用）およびカレンダーの作成に不可欠でした。

惑星の位置を注意深く測定することで、重力の摂動をしっかりと理解し、天体力学として知られる分野である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。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または潜在的な衝突の予測が可能になります。[61]

近くの星の年周視差の測定は、宇宙のスケールを測定するために使用される宇宙の距離梯子の基本的なベースラインを提供します。近くの星の視差測定は、それらの特性を比較できるので、より遠い星の特性の絶対ベースラインを提供します。星の視線速度と固有運動の測定により、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することができます。位置天文の結果は、銀河内の推測された暗黒物質の分布を計算するために使用される基礎です。[62]

1990年代、近くの星の星のぐらつきの測定は、それらの星を周回する大きな太陽系外惑星を検出するために使用されました。[63]

理論的な天文学

元素合成
Wpdms物理学陽子陽子鎖1.svg
関連トピック

理論上の天文学者は、分析モデルや計算 数値シミュレーションを含むいくつかのツールを使用します。それぞれに特定の利点があります。プロセスの分析モデルは、何が起こっているのかについてより広い洞察を与えるのに適しています。数値モデルは、他の方法では観察されない現象や影響の存在を明らかにします。[64] [65]

天文学の理論家は理論モデルの作成に努め、その結果からそれらのモデルの観測結果を予測します。モデルによって予測された現象の観測により、天文学者は、現象を最もよく説明できるモデルとして、いくつかの代替モデルまたは競合するモデルから選択することができます。

理論家はまた、新しいデータを考慮に入れるためにモデルを生成または変更しようとします。データとモデルの結果の間に矛盾がある場合、一般的な傾向は、データに適合する結果を生成するようにモデルに最小限の変更を加えようとすることです。場合によっては、時間の経過とともに大量の一貫性のないデータがモデルの完全な放棄につながる可能性があります。

理論上の天文学者によってモデル化された現象には、次のものが含まれます。銀河の形成; 宇宙における物質の大規模な分布; 宇宙線の起源; 弦の宇宙論と宇宙素粒子物理学を含む一般相対性理論と物理宇宙論。天体物理学的相対性理論は、重力が調査対象の物理現象で重要な役割を果たす大規模構造の特性を測定するためのツールとして、またブラックホール（アストロ）の基礎として機能します。 物理学と重力波の研究。

現在ラムダ-CDMモデルに含まれている、天文学で広く受け入れられ研究されている理論とモデルには、ビッグバン、暗黒物質、物理学の基礎理論があります。

このプロセスのいくつかの例：

物理的プロセス 実験ツール 理論モデル 説明/予測
重力 電波望遠鏡 自己重力システム 星系の出現
核融合 分光法 恒星進化論 星がどのように輝き、金属がどのように形成されたか
ビッグバン ハッブル宇宙望遠鏡、COBE 膨張宇宙 宇宙の年齢
量子ゆらぎ 宇宙のインフレーション 平坦性問題
重力崩壊 X線天文学 一般相対性理論 アンドロメダ銀河の中心にあるブラックホール
星の CNOサイクル 巨大な星の主要なエネルギー源。

宇宙のインフレーションに加えて、暗黒物質と暗黒エネルギーは天文学の現在の主要なトピックであり[66]、それらの発見と論争は銀河の研究中に始まった。

特定のサブフィールド

天体物理学

天体物理学は、天文学によって行われた測定を理解するために物理学と化学を適用します。ハッブルや他の望遠鏡からの画像を含む観測可能な宇宙の表現。

天体物理学は、 「宇宙での位置や動きではなく、天体の性質を確認するために」物理学と化学の原理を採用する天文学の分野です。[67] [68]研究された天体の中には、太陽、他の星、銀河、太陽系外惑星、星間物質、宇宙マイクロ波背景放射があります。[69] [70]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、光度が含まれます。密度、温度、および化学組成。天体物理学は非常に幅広い主題であるため、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、核および粒子物理学、原子および分子物理学を含む多くの物理学の分野を適用します。

実際には、現代の天文学研究は、理論物理学と観測物理学の分野でかなりの量の作業を伴うことがよくあります。天体物理学者のためのいくつかの研究分野には、暗黒物質、暗黒エネルギー、およびブラックホールの特性を決定する試みが含まれています。タイムトラベルが可能かどうか、ワームホールが形成されるか、多元宇宙が存在するかどうか。そして宇宙の起源と究極の運命。[69]理論的な天体物理学者によっても研究されたトピックには、太陽系の形成と進化が含まれます。恒星系力学と進化; 銀河の形成と進化; 電磁流体力学; 宇宙の物質の大規模構造; 宇宙線の起源; 弦の宇宙論と宇宙素粒子物理学を含む一般相対性理論と物理宇宙論。

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の研究です。[71]規律は、天文学と化学の重複です。「天体化学」という言葉は、太陽系と星間物質の両方に適用される可能性があります。隕石などの太陽系オブジェクト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ます。、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ります。太陽系が形成されるのはこれらの雲からであるため、 分子ガス雲の形成、原子および化学組成、進化、および運命は特に興味深いものです。

この分野の研究は、太陽系の形成、地球の起源と地質学、生命の起源、そして気候と海洋の起源 の理解に貢献しています。

宇宙生物学

宇宙生物学は、宇宙の生命の起源、初期の進化、分布、そして未来に関係する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、そして存在する場合に人間がそれをどのように検出できるかという問題を検討します。[72]宇宙生物学という用語は似ています。[73]

宇宙生物学は、分子生物学、生物物理学、生化学、化学、天文学、現代宇宙論、外惑星学、地質学を利用して、他の世界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。[74] 生命の起源と初期の進化は、宇宙生物学の分野の不可分の一部です。[75]宇宙生物学は、既存の科学データの解釈に関係しています、そして文脈を与えるために憶測が楽しまれていますが、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-炭素相互作用、地球上の生命の起源、惑星の居住性、生命検出のための生命存在指標の研究、および生命が適応する可能性に関する研究が含まれます。地球と宇宙空間での挑戦。[76] [77] [78]

現代宇宙論

宇宙論（ギリシャ語のκόσμος（コスモス）「世界、宇宙」およびλόγος（ロゴ）「単語、研究」または文字通り「論理」から）は、宇宙全体の研究と見なすことができます。

ハッブルエクストリームディープフィールド

物理宇宙論として知られる宇宙の大規模構造の観察は、宇宙の形成と進化についての深い理解を提供しました。現代の宇宙論の基礎は、ビッグバンの広く受け入れられている理論であり、私たちの宇宙はある時点で始まり、その後、138億年の間に現在の状態にまで拡大しました[79] 。[80]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さかのぼることができます。 [80]

この拡大の過程で、宇宙はいくつかの進化の段階を経ました。非常に早い時期に、宇宙は非常に急速な宇宙のインフレーションを経験し、それが開始条件を均質化したと理論づけられています。その後、元素合成は初期の宇宙の元素の豊富さを生み出しました。[80]（核宇宙年代学も参照。）

原始イオンの海から最初の中性原子が形成されたとき、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見なされているエネルギーを放出しました。膨張する宇宙は、恒星のエネルギー源が不足しているため、暗黒時代を迎えました。[81]

物質の階層構造は、空間の質量密度のわずかな変化から形成され始めました。物質は最も密度の高い領域に蓄積し、ガスの雲と最も初期の星である種族IIIの星を形成します。これらの巨大な星は、再電離プロセスを引き起こし、初期の宇宙で多くの重い元素を作り出したと考えられています。これは、核崩壊によって軽い元素を作り出し、元素合成のサイクルをより長く続けることを可能にします。[82]

重力凝集体はフィラメントにクラスター化し、ギャップにボイドを残します。徐々に、ガスと塵の組織が合併して、最初の原始銀河を形成しました。時間が経つにつれて、これらはより多くの問題を引き込み、しばしば銀河団と銀河団に組織化され、次に大規模な超銀河団に組織化されました。[83]

宇宙を研究するには、さまざまな物理学の分野が不可欠です。学際的研究には、量子力学、素粒子物理学、プラズマ物理学、物性物理学、統計力学、光学、および原子核物理学の分野が含まれます。

宇宙の構造の基本は、暗黒物質と暗黒エネルギーの存在です。これらは現在、そ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％を形成しています。このため、これらのコンポーネントの物理を理解しようとすると、多くの労力が費やされます。[84]

銀河系外天文学

この画像は、写真の中央付近にある黄色い銀河のクラスターの重力レンズ効果によって複製された、同じ銀河の複数の画像であるいくつかの青いループ状のオブジェクトを示しています。レンズは、クラスターの重力場によって生成されます。この重力場は、光を曲げて、より遠くの物体の画像を拡大および歪ませます。

私たちの銀河の外にある天体の研究は、銀河の形成と進化、それらの形態（説明）と分類、活動銀河の観測、そしてより大規模な銀河のグループとクラスターに関係する天文学の一分野です。最後に、後者は宇宙の大規模構造を理解するために重要です。

ほとんどの銀河は、分類スキームを可能にする別個の形状に編成されています。それらは一般的に渦巻銀河、楕円銀河、不規則銀河に分けられます。[85]

名前が示すように、楕円銀河は楕円の断面形状をしています。星は、優先方向のない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まったく含まれておらず、星形成領域がほとんどなく、古い星が含まれています。楕円銀河は銀河団の中心部でより一般的に見られ、大きな銀河の合併によって形成された可能性があります。

渦巻銀河は、平らな回転する円盤に編成されており、通常、中央に目立つ膨らみまたは棒があり、外側に向かって渦巻く明るい腕が続いています。腕は星形成のほこりっぽい領域であり、その中で巨大な若い星が青い色合いを生み出します。渦巻銀河は通常、古い星のハローに囲まれています。天の川と私たちの最も近い銀河の隣人の1つであるアンドロメダ銀河はどちらも渦巻銀河です。

不規則銀河は見た目が混沌としていて、らせん状でも楕円形でもありません。すべての銀河の約4分の1は不規則であり、そのような銀河の独特の形は重力相互作用の結果である可能性があります。

活動銀河は、その星、塵、ガス以外の源からかなりの量のエネルギーを放出する地層です。それは、落下する物質から放射を放出している超大質量ブラックホールであると考えられているコアのコンパクトな領域によって動力を供給されています。

電波銀河は、スペクトルの電波部分で非常に明るい活動銀河であり、巨大なプルームまたはガスのローブを放出しています。より短い周波数、高エネルギーの放射線を放出する活動銀河には、セイファート銀河、クエーサー、およびブレーザーが含まれます。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ます。[86]

宇宙の大規模構造は、銀河団と銀河団によって表されます。この構造はグループ化の階層に編成されており、最大のものはスーパークラスターです。集合体はフィラメントと壁に形成され、間に大きな隙間が残ります。[87]

銀河天文学

天の川の渦巻腕の観測された構造

太陽系は、銀河群の主要なメンバーである棒渦巻銀河である天の川内を周回しています。それは、ガス、塵、星、その他の物体の回転する塊であり、相互の引力によって一緒に保持されています。地球はほこりっぽい外腕の中にあるので、天の川の大部分が見えないようになっています。

天の川の中心にはコアがあり、その中心には超大質量ブラックホールと思われる棒状の膨らみがあります。これは、コアかららせん状に伸びる4つの主要なアームに囲まれています。これは活発な星形成の領域であり、多くの若い種族Iの星が含まれています。ディスクは、古い種族IIの星の回転楕円体のハローと、球状星団として知られる比較的密集した星に囲まれています。[88]

星の間には、まばらな物質の領域である星間物質があります。最も密度の高い領域では、水素分子やその他の元素の分子雲が星形成領域を作成します。これらは、コンパクトなプレステラコアまたは暗黒星雲として始まり、集中して崩壊し（ジーンズの長さによって決定される体積で）、コンパクトな原始星を形成します。[89]

より重い星が現れると、それらは雲を光るガスとプラズマのH II領域（イオン化された原子状水素）に変換します。これらの星からの恒星風と超新星の爆発は、最終的に雲を分散させ、しばしば1つ以上の若い散開星団を残します。これらのクラスターは徐々に分散し、星は天の川の集団に加わります。[90]

天の川銀河や他の銀河の物質の運動学的研究は、目に見える物質によって説明できるよりも多くの質量があることを示しています。暗黒物質のハローが質量を支配しているように見えますが、この暗黒物質の性質は未定です。[91]

恒星天文学

Mz 3、しばしばアリの惑星状星雲と呼ばれます。瀕死の中心星からガスを放出することは、通常の爆発の混沌とし​​たパターンとは異なり、対称的なパターンを示します。

星と恒星進化の研究は、私たちが宇宙を理解するための基本です。星の天体物理学は、観測と理論的理解によって決定されています。そして内部のコンピュータシミュレーションから。[92] 星形成は、巨大な分子雲として知られている、塵とガスの密集した領域で起こります。不安定になると、雲の破片が重力の影響で崩壊し、原始星を形成する可能性があります。十分に密度が高く、高温のコア領域が核融合を引き起こし、主系列星を作成します。[89]

水素やヘリウムより重い元素のほとんどすべてが星の核の中に作られました。[92]

結果として生じる星の特性は、主にその開始質量に依存します。星の質量が大きいほど、その光度は大きくなり、水素燃料がコア内のヘリウムに急速に融合します。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、星は進化し始めます。ヘリウムの核融合には、より高いコア温度が必要です。コア温度が十分に高い星は、コア密度を上げながら、外層を外側に押し出します。膨張する外層によって形成された結果として生じる赤色巨星は、コア内のヘリウム燃料が消費される前に、短い寿命を享受します。非常に重い星は、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。[93]

星の最終的な運命はその質量に依存し、太陽の約8倍を超える質量の星がコア崩壊超新星になります。[94]小さい星はそれらの外層を吹き飛ばし、白色矮星の形で不活性コアを残します。外層の放出は惑星状星雲を形成します。[95]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少なくとも3倍である場合は、ブラックホールです。[96]近接軌道を回る連星は、超新星を引き起こす可能性のある白色矮星の伴星への物質移動など、より複雑な進化経路をたどることができます。[97]惑星状星雲と超新星は、星間物質への核融合によって星で生成された「金属」を分配します。それらがなければ、すべての新しい星（およびそれらの惑星系）は水素とヘリウムだけから形成されるでしょう。[98]

太陽天文学

TRACE宇宙望遠鏡で見た太陽のアクティブな光球の紫外線画像。NASAの写真
1962年に建てられた太陽観測所Lomnickýštít（スロバキア）

約8光分の距離で、最も頻繁に研究されている星は太陽です。これは、恒星クラスG2 Vの典型的な主系列矮星であり、約46億年前のものです。太陽は変光星とは見なされませんが、太陽黒点周期として知られる活動の周期的な変化を受けます。これは黒点数の11年間の変動です。黒点は、強烈な磁気活動に関連する平均よりも低い温度の領域です。[99]

太陽は、最初に主系列星になったときから、光度が着実に40％増加しています。太陽はまた、地球に重大な影響を与える可能性のある光度の周期的な変化を受けています。[100]たとえば、マウンダー極小期は、中世に小氷期現象を引き起こしたと考えられています。[101]

目に見える太陽の外面は光球と呼ばれます。この層の上には、彩層と呼ばれる薄い領域があります。これは、急速に上昇する温度の遷移領域に囲まれ、最後に過熱されたコロナに囲まれています。

太陽の中心には核融合が起こるのに十分な温度と圧力のボリュームであるコア領域があります。コアの上には放射ゾーンがあり、プラズマが放射によってエネルギーフラックスを伝達します。その上には、ガス材料が主に対流として知られるガスの物理的変位によってエネルギーを輸送する対流層があります。対流層内の質量の動きは、黒点を生成する磁気活動を生み出すと考えられています。[99]

プラズマ粒子の太陽風は、太陽系の最も外側の限界でヘリオポーズに達するまで、太陽から外向きに絶えず流れます。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ますが、一部をトラップして、地球を包むヴァンアレン帯を作成します。オーロラは、太陽風の粒子が磁束線によって地球の極域に導かれ、そこで線が大気中に降下するときに作成されます。[102]

惑星科学

上部の黒い点は、火星の火星の壁を登っている塵旋風です。火星の大気のこの動く渦巻く柱（地上の竜巻に匹敵する）は、長くて暗い縞を作成しました。

惑星科学は、惑星、月、準惑星、彗星、小惑星、および太陽を周回する他の物体、および太陽系外惑星の集合体の研究です。太陽系は、最初は望遠鏡で、その後は宇宙船で、比較的よく研究されてきました。これにより、太陽の惑星系の形成と進化についての全体的な理解が深まりましたが、多くの新しい発見がまだ行われています。[103]

太陽系は、内太陽系（内惑星と小惑星帯に細分される）、外太陽系（外惑星と円盤に細分される）、彗星、ネプチューン横断領域（カイパーベルトに細分される）に分けられます。散乱円盤天体）と最も遠い領域（たとえば、ヘリオスフィアの境界、および1光年まで広がる可能性のあるオールトの雲）。地球型惑星の内側は、水星、金星、地球、火星で構成されています。外側の木星型惑星ガスの巨人（木星と土星）と氷の巨人（天王星と海王星）です。[104]

惑星は46億年前に、初期の太陽を取り巻く原始惑星系円盤に形成されました。重力による引力、衝突、降着を含むプロセスを通じて、円盤は物質の塊を形成し、それは時間とともに原始惑星になりました。その後、太陽風の放射圧により、付着していない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ました。惑星は、月への多くの衝突クレーターによって証明されるように、激しい爆撃の期間中、残りの物質を掃き出し、または放出し続けました。この期間中に、いくつかの原始惑星が衝突した可能性があり、そのような衝突の1つが月を形成した可能性があります。[105]

惑星が十分な質量に達すると、惑星の分化中に、さまざまな密度の物質が内部に分離します。このプロセスは、マントルと外皮に囲まれた石または金属のコアを形成する可能性があります。コアには固体領域と液体領域が含まれる場合があり、一部の惑星コアは独自の磁場を生成します。これにより、太陽風のストリッピングから大気を保護できます。[106]

惑星や月の内部熱は、放射性物質（ウラン、トリウム、26 Alなど ）の崩壊、または他の物体との相互作用によって引き起こされる潮汐加熱によって、物体を作成した衝突から生成されます。一部の惑星や衛星は、火山活動やテクトニクスなどの地質学的プロセスを推進するのに十分な熱を蓄積します。大気を蓄積または保持するものは、風や水による表面侵食を受ける可能性もあります。潮汐加熱のない小さな体は、より速く冷えます。そして、それらの地質学的活動は、衝突クレーターを除いて停止します。[107]

学際的研究

天文学と天体物理学は、他の主要な科学分野との重要な学際的なつながりを発展させてきました。天文考古学は、考古学的および人類学的証拠を利用した、文化的文脈における古代または伝統的な天文学の研究です。宇宙生物学は、宇宙における生物学的システムの出現と進化の研究であり、特に非地球的生命の可能性に重点を置いています。天体統計学は、膨大な量の観測天体物理学データの分析への天体物理学への統計の適用です。

宇宙で見つかった化学物質の形成、相互作用、破壊などの研究は、天体化学と呼ばれます。これらの物質は通常、分子雲に含まれていますが、低温の星、褐色矮星、惑星にも含まれている場合があります。宇宙化学は、元素の起源や同位体比の変化など、太陽系内で見つかった化学物質の研究です。これらの分野は両方とも、天文学と化学の分野の重複を表しています。最後に、 「法天文学」として、天文学の手法が法と歴史の問題を解決するために使用されてきました。

アマチュア天文学

アマチュア天文学者は、独自の機器を構築し、ステラファンなどのスターパーティーや集会を開くことができます。

天文学は、アマチュアが最も貢献できる科学の1つです。[108]

まとめると、アマチュア天文学者は、消費者レベルの機器や自分たちで作った機器を使って、さまざまな天体や現象を観察することがあります。アマチュア天文学者の一般的なターゲットには、太陽、月、惑星、星、彗星、流星シャワー、および星団、銀河、星雲などのさまざまな深天天体が含まれます。天文学クラブは世界中にあり、多くのクラブがメンバーの設定を支援するプログラムを持っており、メシエのすべての天体（110個の天体）やハーシェル400の夜空の関心のあるカタログを観測するプログラムを含みます。アマチュア天文学、天体写真の一分野、夜空の写真を撮ることを含みます。多くのアマチュアは、特定のオブジェクト、オブジェクトの種類、または関心のあるイベントの種類の観察を専門としています。[109] [110]

ほとんどのアマチュアは可視波長で作業しますが、多くは可視スペクトル外の波長で実験します。これには、従来の望遠鏡での赤外線フィルターの使用や、電波望遠鏡の使用も含まれます。アマチュア電波天文学のパイオニアは、1930年代に電波波長で空を観測し始めたカールジャンスキーでした。多くのアマチュア天文学者は、自家製の望遠鏡を使用するか、元々は天文学研究のために作られた電波望遠鏡を使用していますが、現在はアマチュアが利用できます（例：ワンマイル望遠鏡）。[111] [112]

アマチュア天文学者は天文学の分野に科学的な貢献を続けており、それはアマチュアが依然として重要な貢献をすることができる数少ない科学分野の1つです。アマチュアは、小惑星の軌道を洗練するために使用される掩蔽測定を行うことができます。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ます。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ました。[113] [114] [115]

天文学における未解決の問題

天文学の科学的分野は、宇宙の性質とその内容を理解する上で大きな進歩を遂げましたが、いくつかの重要な未回答の質問が残っています。これらへの答えは、新しい地上および宇宙ベースの機器の構築、そしておそらく理論的および実験的物理学の新しい開発を必要とするかもしれません。

  • 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、明らかに初期条件に関係なく、恒星の質量の同じ分布、つまり初期質量関数を観測するのでしょうか。[116]星や惑星の形成についてのより深い理解が必要です。
  • 宇宙には他の生命がありますか？特に、他に知的な生活はありますか？もしそうなら、フェルミのパラドックスの説明は何ですか？他の場所での生命の存在は、重要な科学的および哲学的な意味合いを持っています。[117] [118]太陽系は正常ですか、それとも非定型ですか？
  • 暗黒物質と暗黒エネルギーの性質は何ですか？これらは宇宙の進化と運命を支配しますが、それらの本当の性質は不明のままです。[119]
  • 宇宙の究極の運命は何でしょうか？[120]
  • 最初の銀河はどのように形成されましたか？[121]超大質量ブラックホールはどのようにして形成されたのですか？[122]
  • 超高エネルギー宇宙線を作り出しているのは何ですか？[123]
  • 宇宙のリチウムの存在量が標準のビッグバンモデルで予測されたものの4分の1であるのはなぜですか？[124]
  • 事象の地平線を越​​えて実際に何が起こるのでしょうか？[125]

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参考文献

外部リンク

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