天文学とは？入門：星・惑星・銀河の基礎と観測・理論の解説

古代

初期の天文学者は、目だけで星を見ていました。彼らは宗教的な理由から星座や星の地図を作り、一年の時間を計算するためにカレンダーを作っていました。マヤ人や古代エジプト人のような初期の文明では、簡単な天文台を作り、星の位置の地図を描いていました。彼らはまた、宇宙における地球の位置についても考え始めました。長い間、人々は地球が宇宙の中心であり、惑星、星、太陽は地球の周りを回っていると考えていました。これは地心論として知られています。

古代ギリシャ人は、太陽や星の運動を測定することで説明しようとしました。エラトステネスという数学者が最初に地球の大きさを測定し、地球が球体であることを証明しました。別の数学者アリストアルクスは、太陽が中心にあり、その周りを地球が動いているという説を発表しました。これはヘリオセントリズムとして知られています。これが正しいと思った人はごく少数でした。残りの人たちは、地動説を信じ続けました。星座や星の名前のほとんどは、当時のギリシャ人に由来しています。

アラビアの天文学者は、改良された星図や地球の大きさを推定する方法など、中世の間に多くの進歩を遂げました。彼らはまた、ギリシャ語の本をアラビア語に翻訳することによって古代人から学びました。

ルネサンスから現代

ルネサンス期にニコラウス・コペルニクスという神父が、惑星の動きを見て、地球がすべての中心ではないと考えました。コペルニクスはそれまでの研究に基づいて、地球は惑星であり、すべての惑星は太陽の周りを回っていると言いました。これにより、昔からあった「太陽中心主義」という考え方が復活したのです。ガリレオ・ガリレイという物理学者が自分の望遠鏡を作り、それを使って初めて星や惑星をより詳しく見ることができました。彼はコペルニクスに同意した。カトリック教会は、ガリレオが間違っていると判断した。ガリレオは残りの人生を自宅軟禁で過ごさなければなりませんでした。ヘリオセントリックな考えは、重力理論を発明したヨハネス・ケプラーやアイザック・ニュートンによってすぐに改善された。

ガリレオの後、人々はより良い望遠鏡を作り、惑星天王星や海王星のようなより遠くの天体を見るためにそれらを使用しました。彼らはまた、星が太陽に似ているが、色や大きさが様々であることも見ました。彼らはまた、銀河や星雲のような他の何千もの遠い天体を見ました。

現代

1920年以降の20世紀は、天文学に大きな変化をもたらしました。

1920年代初頭には、私たちが住んでいる銀河である天の川銀河だけが唯一の銀河ではないことが認められ始めました。他の銀河の存在は、エドウィン・ハッブルがアンドロメダ星雲を別の銀河であると特定したことで確定しました。宇宙が膨張していることを証明したのもハッブルです。大きな距離に他の銀河がたくさんあって、それが後退して、私たちの銀河から遠ざかっていっているのです。それは全く予想外のことでした。

1931年、カール・ヤンスキーは、無線通信のノイズ源を分離しようとしたときに、地球外からの電波放射を発見しました。大気が遮断していなかった電磁スペクトルの部分が天文学に開放され、より多くの発見が可能になりました。

宇宙の新しい窓が開かれたことで、全く新しいものが発見されました。例えばパルサーは、定期的に電波のパルスを宇宙に送っていました。パルサーは定期的に電波を宇宙に送り出していましたが、そのパルスが人工的なものであることを暗示していたため、最初は宇宙人が起源であると考えられていました。

第二次世界大戦後の時代には、通常は政府によって、大型で正確な望遠鏡を良い観測場所に建設して運営する天文台が増えました。例えば、バーナード・ラヴェルは、軍のレーダー装置の残骸を使って、ジョドレルバンクで電波天文学を始めました。1957年までに、このサイトには世界最大の操縦可能な電波望遠鏡が設置されていました。同様に、1960年代の終わりには、ハワイのマウナケアで専用の天文台の建設が始まりました。

天文学における次の大革命は、ロケット技術の誕生によるものでした。これにより、望遠鏡を人工衛星に乗せて宇宙空間に設置することができるようになりました。

宇宙望遠鏡は、大気によって遮られていた電磁波を含む全電磁スペクトルに、歴史上初めてアクセスできるようになりました。X線、ガンマ線、紫外線、赤外線の一部など、観測用の望遠鏡が打ち上げられたことで、天文学に開放されました。他のスペクトルと同様に、新たな発見がなされました。

1970年代から衛星は、より正確でより良い衛星に置き換えられるように打ち上げられ、電磁スペクトルのほぼすべての部分で空がマッピングされるようになりました。

発見には大きく分けて「体」と「現象」の2つがあります。体とは、地球のような惑星でも、銀河系のような銀河でも、宇宙の中にあるものを指します。現象とは、宇宙で起こる出来事やハプニングのことです。

ボディ

便宜上、このセクションでは、星の周りにあるものは太陽体、銀河系の中にあるものは銀河体、それ以上のものは宇宙体というように、これらの天体がどこにあるのかで分けています。

太陽電池

• 惑星
• 小惑星
• 彗星

銀河

• 星

拡散オブジェクト。

• ネビュラス
• クラスター

コンパクトスター。

• 白色矮星
• 中性子星
• ブラックホール

コズミック

• ギャラクシー
• 銀河団
• スーパークラスター

現象

バースト事象は、天界に突然の変化があり、それがすぐに消えてしまうものです。それらが通常、エネルギーの「バースト」を生産する大きな爆発と関連しているので、これらは、バーストと呼ばれています。それらは、含まれています。

• スーパーノヴァ
• ノバス

周期的事象とは、反復的な方法で定期的に起こる事象のことです。周期という名前は、波が1つの周期を完了するのに必要な時間の長さである周期に由来しています。周期的な現象には、以下のようなものがあります。

• パルサー
• 可変星

ノイズ現象は、長い時間前に起こったことに関連する傾向があります。これらのイベントからの信号は、それがすべての場所から来ているように見えるまで、宇宙の周りを跳ね返り、強度ではほとんど変化しません。このように、それは「ノイズ」、天文学のために使用されるすべての機器を蔓延させる背景信号に似ています。ノイズの最も一般的な例は、アナログテレビで見られる静的なノイズです。天文学的な主な例は以下の通りです。宇宙背景放射です。

楽器

• 望遠鏡は観測の主な道具です。広い範囲の光をすべて取り込んで、小さな範囲に入れてくれます。これは、目を非常に大きく強力にするようなものです。天文学者は望遠鏡を使って、遠くにあるものや薄暗いものを見ています。望遠鏡は、物体をより大きく、より近く、より明るく見せます。
• 分光器は光の異なる波長を研究します。これは何かが何でできているかを示しています。
• 多くの望遠鏡は衛星の中にあります彼らは宇宙観測所です。地球の大気は電磁スペクトルの一部を遮断していますが、大気の上にある特殊な望遠鏡は、その放射線を検出することができます。

• 電波天文学では電波望遠鏡を使用します。開口部合成は、小さな望遠鏡を組み合わせて、小さな望遠鏡の間の距離と同じくらい大きな望遠鏡のように動作するフェーズドアレイを作成します。

テクニック

天文学者がより良い天の写真を撮る方法があります。遠くの光源からの光はセンサーに届き、通常は人間の目やカメラで測定されます。非常に暗い光源の場合は、光源からの光の粒子が十分でない場合があります。天文学者がそれを目に見えるようにするために持っている技術の一つが、統合（写真撮影でいうところの長時間露光のようなもの）を使うことです。

統合

天体はあまり動きません：地球の自転と運動だけが天を横切って移動します。光の粒子が時間をかけてカメラに到達すると、同じ場所に衝突して背景よりも明るく、目に見えるようになります。

ほとんどの天文台（および衛星装置）の望遠鏡は、通常、天を横切って移動する天体を追跡することができ、望遠鏡には星が静止して見えるようにして、より長い露光を可能にします。また、画像は異なる夜に撮影することができるので、何時間、何日、何ヶ月にもわたって撮影することができます。デジタル時代には、デジタル化された空の写真をコンピュータで合成し、動きを補正した後に画像を重ね合わせることができます。

適応光学系

適応光学とは、何かを見ているときに鏡やレンズの形を変えて、よりよく見えるようにすることです。

データ分析

データ解析とは、天体観測から、単に見るだけではなく、より多くの情報を得ようとするものです。観測はまずデータとして保存されます。そして、このデータを解析するために様々な手法が使われます。

フーリエぶんせき

数学のフーリエ解析は、ある観測が（長い時間にわたって）周期的に変化しているかどうか（波のように変化しているかどうか）を示すことができます。そうであれば、周波数や波動パターンの種類を抽出し、新しい惑星をはじめとする多くのものを見つけることができます。

フィールドの良い例は、電波の中で定期的にパルスするパルサーから来ています。これらは、低質量X線連星と呼ばれるX線の中の明るい天体の一部（すべてではありませんが）に似ていることがわかりました。その結果、パルサーと一部のLMXBはすべて中性子星であり、その違いは中性子星が発見された環境によるものであることがわかりました。中性子星ではないLMXBはブラックホールであることがわかりました。

このセクションでは、天文学の重要な分野、その重要性の時代、そしてそれらを説明するために使われている用語の概要を説明します。近代の天文学は主に電磁スペクトルによって分けられてきましたが、それが変化しつつあることを示す証拠がいくつかあります。

ボディ別のフィールド

太陽天文学

太陽天文学は、太陽を研究する学問である。太陽は地球に最も近い星で、約9,200万（9,200万）マイル離れたところにあります。太陽は、最も詳しく観測しやすい星です。太陽を観測することで、他の星がどのように機能し、どのように形成されているかを理解することができます。太陽の変化は、地球の天気や気候に影響を与えます。太陽風と呼ばれる荷電粒子の流れは、太陽から絶えず送り出されています。太陽風が地球の磁場に当たることで、オーロラができるのです。太陽を研究することで、核融合の仕組みを知ることができました。

惑星天文学

惑星天文学は、惑星、月、矮小惑星、彗星、小惑星など、星を周回する他の小さな天体の研究です。太陽系の惑星は、カッシーニ・ホイヘンス（土星）やボイジャー1号、2号など、多くの探査機が訪れ、深く研究されてきました。

銀河天文学

銀河天文学は、遠い銀河の研究です。遠くの銀河を研究することは、自分たちの銀河のガスや星を観測することが困難なため、自分たちの銀河を知るための最良の方法です。銀河天文学者は、さまざまな種類の望遠鏡やコンピュータシミュレーションを使って、銀河の構造や銀河がどのように形成されているかを理解しようとしています。

重力波天文学

重力波天文学とは、重力波のスペクトルを使って宇宙を研究する学問です。これまで行われてきたすべての天文学は、電磁スペクトルを使用してきました。重力波は、白色矮星、中性子星、ブラックホールなどの非常に密度の高い物体が形を変えることによって放出される時空のさざ波です。重力波を直接検出することができなかったため、重力波天文学の影響は非常に限られています。