Astronomy - Tenmon Gaku (English spelling) astronomy English

Japanese: 天文学 - てんもんがく（英語表記）astronomy 英語

Astronomy, simply put, is the study of celestial bodies and materials outside of Earth. With the spread of scientific knowledge in recent years, fewer people think of astronomy as something related to weather forecasts, but there are still many cases where people mistakenly believe that all phenomena occurring in the sky are astronomical.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Astronomical Objects

In the course of historical development, astronomy has expanded its scope, enriched its content, and established itself as a science. Along with medicine, which has a long history of over 4,000 years, astronomy is one of the oldest academic disciplines. In ancient Mesopotamia and Egypt, people observed the movements of the stars in the sky to know the changing of the seasons for farming. It was discovered that the movements of bright and conspicuous celestial bodies such as Mercury, Venus, Mars, Jupiter, and Saturn differed from the diurnal motion of the stars scattered across the sky, and various earth-centered views of the universe were formed in the areas where ancient people settled.

Among these views of the universe, the ancient Greek view of the universe was solidified by Hipparchus' more precise observations of celestial bodies, and by Ptolemy's geocentric theory, who reached the pinnacle of Greek astronomy 300 years later. Astronomy in this era was based on a flat perception of the stars fixed on a celestial sphere, and was based on the principle that the universe should not change. In the Greek and Roman era, it was already possible to observe a variety of celestial phenomena, such as the approach of Comet Harry, but cometary phenomena were believed to occur in the atmosphere. This was because there was no means of measuring the distance to celestial bodies.

Copernicus's heliocentric theory raised a major astronomical question: is it the Earth or the Sun that moves? Furthermore, the emergence of the heliocentric theory made the distance between each celestial body in the solar system an important issue. The answer to this question was probably Kepler's laws, which were derived based on a large amount of precise positional observation data obtained by Tycho Brahe using only naked eye observations. This clarified the distance between each celestial body in the solar system, although it was measured in units of the distance between the Earth and the Sun (now called one astronomical unit).

In the 17th century, with the advent of the Age of Discovery, celestial observations were carried out to determine the exact position of ships. Star charts and star catalogs were published that showed the precise positions of the stars used for celestial observations. By comparing these with Hipparchus' catalog, it was discovered that stars, which had previously been thought to be unchanging, exhibit proper motion, in which they change positions relative to each other, in addition to their diurnal motion. It can be said that astronomy expanded from the solar system space to the stellar space.

Stellar parallax measurements, which were thought to be observable if the Earth revolved around the Sun, were not carried out until 1838, making it possible to grasp the world of stars in three dimensions. Prior to that, F. W. Herschel had pointed out the existence of a large group of stars called the Milky Way, which includes the Sun. It was not until the 20th century that it was discovered that the Milky Way is enormous, stretching out over 30,000 light years, and it was only after radio wave observations that its overall structure began to become clear.

Research on galaxies, huge clusters of stars outside the Milky Way, has also progressed, and it has become possible to study celestial objects more than 10 billion light years away. It has become clear that the universe began with the Big Bang 13.8 billion years ago, and that galaxies and stars were formed from it, and that these celestial objects evolved and disappeared.

Astronomy deals with the shape of this vast universe, and the things that exist within it have come to be closely related to each other. Electromagnetic waves emitted immediately after the Big Bang have been observed as 3K radiation, and hydrogen and helium atoms formed around that time remain as fossils in certain stars. Meanwhile, elements formed within stars were released into interstellar space, and were then incorporated into the next stars when they were born, resulting in many of the elements found on Earth. Thus, even when studying the Earth, it is becoming necessary to have a connection with astronomy when asking about the origins of those elements.

Today's astronomy is no longer limited to observations using only visible light, as was the case in the past. All kinds of means are used, including electromagnetic waves like visible light, such as radio waves, infrared rays, ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays, and the range of celestial bodies that are the subject of study has expanded to include a wide range of temperatures, from 3K to hundreds of millions of K. Furthermore, in the solar system, it is now possible to fly artificial vehicles (probes) to sites and chemically examine materials on site.

As mentioned at the beginning, astronomy is a science that studies phenomena outside the atmosphere, but in its long history, astronomy has expanded its scope, and in modern times, it cannot be contained within the category of a single science, but requires close cooperation with many other sciences. Fields such as astrochemistry, which examines the atmospheres of stars, and astrobiology, which searches for larger substances that can be the basis of life from polymers, have also opened up.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Astronomical Methods

Naked eye observation

The easiest way to observe the heavens is to look up at the night sky with the naked eye. Looking at the stars shining in the night sky is certainly an opportunity to think about various phenomena in the universe. Ancient people also looked at the stars in the night sky and created their own image of the universe.

The celestial bodies visible to the naked eye are several thousand stars (6000 in total), five planets, the Moon, the Sun, and the occasional comet and novae (supernova). Comets and supernovae only appear about once every few years, so we see almost the same celestial bodies. As a result, the position of the stars on the celestial sphere was of greatest interest in naked-eye observation, and various devices were devised to measure the positions of celestial bodies. The quadrant and sextant (called armillary sphere in China) were invented to measure the angular distance from a reference direction such as the horizon. However, the human eye cannot resolve objects finer than one arc minute due to the size of the lens and the size of the photoreceptors, and even experienced observers using these devices could only obtain positions with an accuracy of 0.1 arc minutes at best.

Observation with the naked eye was almost unable to reveal any new phenomena in celestial bodies whose relative positions do not change, such as the stars, but it was an effective means of observing celestial bodies that move on the celestial sphere, such as the sun, moon, and planets. In Mesopotamia and China, not only were planetary cycles predicted, but solar and lunar eclipses were also predicted to some extent, and the movement of the moon was measured with greater precision, which became the basis for creating the lunar calendar. In other words, accurate calendars were created by recording and comparing observations of the moon with the naked eye over many years.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Introduction of telescopes

In 1608, Dutch spectacles maker Hans Lippershey (1570-1619) made the first telescope, and the following year Galileo used one for astronomical observation, bringing about a major revolution in astronomy. The use of telescopes has had two effects on astronomy. First, objective lenses (mirrors) with a larger aperture than the pupil of the human eye have made it possible to collect more light from celestial bodies and capture fainter objects. This led to the discovery of Uranus, Neptune, and numerous asteroids in the solar system, and the number of comets and novae discovered has increased significantly compared to observation with the naked eye. It also revealed that many stars change brightness, and that the idea that stars are always the same celestial bodies does not apply. As the number of celestial bodies observable by telescopes increased, the cooperation of more people was needed, which led to the birth of many amateur astronomers. Unlike other academic fields, astronomy is an exceptional field in which amateur astronomers can play a part in the study.

Another aspect of using telescopes is that the angular resolution improves inversely proportional to the diameter of the objective lens (mirror). Galileo discovered the four moons of Jupiter, which was made possible by the telescope's ability to separate Jupiter from its moons. It was also revealed that the Milky Way, which had previously been thought to shine continuously, is in fact made up of many overlapping stars. In the 20th century, the biggest key to determining whether the Andromeda Galaxy is an object within the Milky Way or outside of the Milky Way was the fact that the nebula-like part could be resolved into individual stars, making it possible to measure their distance. The improvement in angular resolution by increasing the diameter of the objective lens (mirror) (angular resolution of about 1 arc second for a 10 cm diameter aperture, 0.1 arc second for a 100 cm diameter aperture) has made many new discoveries possible. However, near the Earth's surface, atmospheric turbulence spreads the point image beyond 1 arc second, reducing the resolution. For this reason, efforts have been made in recent years to eliminate these difficulties by installing telescopes on high mountains at an altitude of about 4,000 meters, where there is less atmospheric turbulence. In addition, the Space Telescope (Hubble Space Telescope), which was loaded with a 2.4-meter telescope and taken out of the atmosphere on the Space Shuttle, has made it possible to achieve a resolution of 0.02 arc seconds, making it possible to observe Comet Harry, which is as dim as magnitude 30 when it reaches its aphelion. In other words, increasing the aperture of a telescope not only makes it possible to observe faint celestial objects, but is also effective in observing stars with small angular diameters.

The introduction of telescopes increased the accuracy of measuring the positions of celestial bodies by more than 100 times, and Newton's law of universal gravitation was developed to explain the data obtained through high-precision observations. It was then shown that all the movements of celestial bodies in the solar system follow this law, and this law was also used to explain interstellar and intergalactic space. In order to check whether the movements of stars follow Newton's law, their distances must be determined. Between the end of 1838 and the New Year of 1839, Bessel, Henderson, Struve and others determined the annual parallax of stars one after another. Although telescopes were used for the measurements, they were still done with the naked eye, and the positions of each star were compared to those of other stars, which was extremely difficult.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Applications of photography

Photography was invented in 1839, and Draper took a photograph of the moon the following year. The application of photography to astronomical observations was also a major step forward in astronomy. Photographs have the advantage of being able to store light from celestial bodies and save it as data. The human eye can store light for one tenth of a second, but it is impossible to observe a faint celestial body even if you look for a longer period of time. With photography, it is possible to take a picture of an celestial body with one hour of exposure, which is a combination of one hour's worth of light, and is effective for taking pictures of dark, widespread areas such as comets and diffuse nebulae. Photographs that can store data are indispensable for investigating the properties of novae and variable stars. In one case, a recently discovered peculiar celestial body that suddenly emits gamma rays was captured in a photograph taken 80 years ago at the Harvard University Observatory. In addition, by comparing two dry plates taken six months apart, the annual parallax of stars closer than several hundred light years can be determined, and the light of these stars can be divided into spectra using a prism to reveal the state of their atmospheres.

The relationship between the absolute magnitude, which is the intrinsic brightness of a star, and its spectral type, which is an indication of the surface temperature of the star, was studied by Hertzsprung and H. N. Russell, and the diagram showing this relationship is called the HR diagram. Using this diagram, the distances of stars whose annual parallax cannot be measured are determined. Furthermore, it was discovered that the period of variation of Cepheid variable stars has a certain relationship with their absolute magnitude, making it possible to determine the distances of stars without taking spectral photographs of the stars.

When the spectral lines of stars could be captured by photography, it became possible to measure the deviation of the spectral lines from their original positions. The main cause of the deviation is the Doppler effect, which is caused by the line-of-sight movement between the celestial object and the observer. The transverse velocity of the star was calculated from the proper motion and distance of the star, which revealed its three-dimensional motion. Hubble took spectral photographs of galaxies using the world's largest telescope at the time, with a diameter of 257 cm, completed at Mount Wilson Observatory in 1917, and by measuring the radial velocity of these galaxies, he discovered Hubble's law, which states that the recession speed increases in proportion to the distance to the observed galaxy. Hubble's law became the basis for the idea that the universe in which galaxies are distributed is expanding.

The disadvantages of photographic observations are that they are poor in precision because they use dry plates coated with emulsion, resulting in errors of about 0.1 magnitude, and that there is a development time before the results after exposure can be seen, making them a disadvantage for observing celestial bodies that change from moment to moment.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

The emergence of special observation equipment

Since the 1930s, photodetectors using the photoelectric effect have been used, and by amplifying the electrons, it has become possible to observe astronomical objects with a dramatically higher accuracy of 0.002 magnitude. Not only have Cepheid variables, which show regular variations in light, been discovered, but also the atmospheric fluctuations of Mira variable stars, which have diameters larger than the Earth's orbit, and the existence of flare stars that suddenly shine explosively. Binary stars are important celestial objects because their orbital periods and changes in luminosity can be used to determine the mass of each star. By observing the eclipse phenomenon in which two stars hide each other, it is possible to determine how each star is deformed from its spherical shape. This requires highly accurate magnitude determination.

Since only one star can be observed at a time using a photomultiplier tube, a highly accurate photoreceiver capable of observing multiple celestial bodies simultaneously was required. This became possible in the 1970s with the rapid development of television technology. Furthermore, devices using charge coupled devices (CCDs) were developed, making it possible to create two-dimensional image receivers that could effectively use more than 90% of the incident light. As a result, it became possible to capture celestial bodies with a magnitude of 24, such as Comet Harry, which is located beyond Saturn, in just a few tens of minutes of observation. The adoption of highly accurate two-dimensional image receivers, along with the increase in the aperture of telescopes, has opened up new research areas in many fields, such as the detection of quasars and pulsars, which were previously difficult to observe, and the observation of the birthplace of stars.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Radio wave observations

In 1930, American astrophysicist Jansky discovered radio waves coming from the center of the galaxy, which opened up a new field called radio astronomy. In 1944, it was predicted that radio waves emitted from hydrogen atoms could be received as radio waves with a wavelength of 21 centimeters. In 1951, Harold Irving Ewen (1922-2015) and E. M. Purcell successfully observed them, showing that gas with a mass comparable to that of stars exists in interstellar space. Since the 1970s, the rapid development of radio astronomy has opened up new wavelength ranges from centimeter waves to millimeter waves, and a large number of molecules, from simple to complex, have been found in interstellar space. The density of gas clouds containing such molecules is high for interstellar space, and they often form molecular clouds containing gas with a mass hundreds of thousands of times the mass of the sun.

As with visible light, there is an increasing need to observe fainter celestial bodies in radio observations in more detail. The biggest drawback of radio observations is their poor angular resolution. For example, the world's largest mobile radio telescope, the one in Effelsberg, Germany, has an aperture of 100 meters, but at wavelengths of 1 centimeter, it has a resolution of only 0.5 arc minutes. To compensate for this drawback, a technology called interferometry was developed. The Very Long Baseline Radio Interferometer has a resolution of 0.001 arc seconds, and has revealed that distant quasars are very small celestial bodies.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Observations from very high altitudes and beyond the atmosphere

The existence of infrared light, which has a longer wavelength than visible light, was discovered in the 19th century, but infrared astronomy did not progress because there was no equipment to receive these electromagnetic waves. Infrared observations began in the 1960s. Infrared observations can capture the interstellar dust emitting infrared light when gas contracts in a molecular cloud containing a large amount of interstellar dust and a new star is born. In addition, by cooperating with radio observations, it has become possible to draw a scenario of the evolution of interstellar clouds into stars. To observe far-infrared light with a wavelength of 100 micrometers, which is blocked by the Earth's atmosphere and cannot reach the ground, observations are carried out in the sky using a telescope mounted on a balloon. In 1983, an infrared satellite called IRAS was launched, and it discovered low-temperature celestial bodies scattered throughout the universe one after another, and also found that there are dusty disks around normal stars such as Vega that could become the source of planetary systems. Furthermore, in 1996, an infrared satellite called ISO was launched, marking a further development.

Observation of ultraviolet rays, X-rays, gamma rays, etc. is also impossible in the atmosphere. In 1946, the first V2 rocket was launched for X-ray observation. Since the 1970s, with the development of rocket and artificial satellite technology, the Copernicus satellite and the International Astronomical Ultraviolet Satellite were launched for ultraviolet astronomy, and the Cygnus satellite, Tenma satellite, and Einstein satellite were launched for X-ray astronomy. These satellites have not only observed interstellar space, but have also discovered the existence of high-temperature regions around stars, reaching 100,000 to 10 million K, the existence of coronas around stars like the corona of the sun, and the existence of high-temperature gases reaching hundreds of thousands K next to low-temperature gases like molecular clouds due to the energy of supernova explosions. They have also discovered that the central star of the Crab Nebula has become a neutron star and radiates powerful X-rays, and that some celestial objects are thought to be black holes.

New astronomy has shown rapid development, resulting in the accumulation of a great deal of data. Astronomical methods have developed through the development of various observational methods and their advancements.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Astronomy and other natural sciences

Astronomy is included in earth sciences in high school. One of the reasons for this is that, like earth sciences, it relies on a method of collecting a large number of observations and trying to find patterns from them. Hipparchus precisely measured the positions of many stars, and by repeatedly observing those stars and organizing the data, he discovered the phenomenon known as precession. Hubble discovered Hubble's Law by collating data on the distance between galaxies and the radial velocity due to the Doppler effect. In this way, astronomy often finds new patterns by collating various observational data and looking at it with insight. In other words, an important issue for astronomy is to collect as much observational data as possible.

Since Kepler's laws were presented in the early 17th century, the movements of celestial bodies have been treated according to a unified set of laws. Kepler's laws were unified by Newton's law of universal gravitation. To solve celestial orbit problems under Newtonian mechanics, knowledge of differential and integral calculus is necessary. The development of calculus in mathematics made it possible to calculate the orbits of not only planets and asteroids, but also comets, and Newton's friend Harry discovered the orbit of the great comet that later bore his name.

The establishment of celestial mechanics made it possible to accurately describe the motion of celestial bodies in the solar system. This made it possible to determine the speed of light, the most important of all physical constants. For example, by observing the eclipse periods of Jupiter's moons, Roemer discovered that it takes time for light to propagate, and calculated the speed of light. Bradley also discovered the phenomenon of aberration, in which the positions of stars on the celestial sphere shift in response to the speed of the Earth's orbital motion, due to the finite speed of light.

The fact that the speed of light is finite has had a major impact in many fields. The fact that the more distant a celestial body is, the earlier it appears has changed the way we understand the universe, leading to the development of theories that consider the equivalence of time and space, such as the theory of relativity. The finite speed of light also allows us to study the beginning of the universe by observing more distant celestial bodies in the Big Bang model of the universe, which is also due to the finite speed of light. New observation techniques that use the finite speed of light are also being attempted. This method involves emitting a laser beam from the Earth, reflecting it off a mirror installed on the surface of the Moon or an artificial satellite, and measuring the time it takes for the beam to return to determine the distance. This method is much more accurate than measuring position using a telescope (with an error of less than 1 centimeter), and is an indispensable observation technique for the development of space technology.

In 1666, Newton demonstrated that the light of the sun can be broken down into a spectrum using a triangular prism. This discovery that the light of celestial bodies can be dispersed into a spectrum is important as the foundation of astrophysics, and is comparable to the discovery of universal gravitation in celestial mechanics. In the early 19th century, Fraunhofer, who was working on improving spectroscopes, discovered many dark lines in the solar spectrum, and in the 1850s, Angström and Stokes found that the positions of these dark lines matched the positions of the sodium spectral lines seen in laboratories. This discovery was the first step in clarifying the chemical composition of the sun and even stars. Rowland examined the solar spectrum in detail and found absorption lines of 36 elements seen on Earth, and Lockyer et al. discovered absorption lines of an element not seen on Earth until then, which they named helium (it was later discovered that helium exists on Earth as an inert gas). Elements that were thought to not exist on Earth include coronium (1870), which was found in the corona, and nebulium (1927), which was found in nebulae. Coronium is an iron atom that has been ionized 13 times and can exist at temperatures as high as 1 million K, and nebulium is a transition between electron orbitals of oxygen atoms and other atoms that is prohibited by quantum mechanics. These discoveries were also important in the formation of quantum mechanics. In 1913, Bohr published the atomic model, showing that the spectral lines of the hydrogen atom can be explained by the transition of electron orbits around the nucleus.

With the progress of nuclear physics, in 1919, Rutherford succeeded in artificially converting atomic nuclei. As a result, it became clear that the energy source of the sun and stars, which had been difficult to explain until then, was the nuclear fusion reaction that converts hydrogen atoms into helium atoms. It was also discovered that the distribution of stars on the HR diagram obtained in the early 20th century shows the various stages of the nuclear fusion reaction taking place inside stars of various masses.

Astrophysics has not only clarified the properties of the surfaces and interiors of stars, but has also discovered that there is matter in interstellar space. In 1905, Hartmann discovered absorption lines from the elements calcium and sodium in interstellar space. Substances such as ionized oxygen, potassium, and iron were subsequently discovered, and the presence of molecules such as hydrocarbons (CH) and cyanide (CN) as compounds was confirmed. With the development of radio observation technology, the hydroxyl group (OH) was discovered in 1963, and since then, the existence of more than 60 molecules, including carbon monoxide (CO), water vapor (H ₂ O), and hydrogen sulfide (H ₂ S), has been confirmed. In order to determine what molecules the newly discovered radio spectrum lines correspond to, the wavelengths of various molecular lines are determined through laboratory experiments and theoretical calculations, and even complex molecules are now the subject of research.

In addition to molecules, interstellar space also contains particles smaller than 1 micrometer in size. These particles are smaller than the wavelength of light, and the degree to which they scatter light varies depending on the wavelength, with shorter wavelengths being more strongly scattered and absorbed. This makes the light of distant stars appear slightly reddish, a phenomenon known as interstellar reddening. The surfaces of these particles act as catalysts to form the majority of interstellar molecules. Today, research into not only the surfaces of particles, but also chemical reactions between molecules in a gaseous state is becoming important.

Research into the composition of solid particles is also an important topic. In the sun and stars, the proportion of each element is almost constant, but in interstellar gas, the proportion is lower than in the sun, except for hydrogen and helium atoms. Many of the elements that are less abundant are trapped in solid particles. These are called interstellar dust, and their main components are water, which is mainly composed of oxygen, graphite, which is carbon, and sand grains, which are silicon. Interstellar dust exists in large quantities in the molecular clouds that give birth to stars, and radiates infrared rays at various temperatures in response to the surrounding heat sources. How stars are born and how planetary systems are formed when matter gathers around them in a disk shape like the solar system depend on the properties of this interstellar dust. Knowledge of solid state physics is becoming necessary to explain astronomical phenomena.

Many interstellar molecules are formed on the surface of interstellar dust, and even complex molecules have been discovered. However, considering that in order to discover them through radio observations, there must be more than ¹⁰¹³ molecules of the same type in the line of sight of interstellar space, it is possible that more complex molecules exist, although the number may be small. Considering that the main components of interstellar dust are water and carbon atoms, it is possible that organic substances, which are the basis of life, may exist. Due to this situation and the strong possibility of forming planetary systems when stars are born, research is being conducted on life forms that may exist in the universe other than Earth. Astrobiology has begun.

になったんです。 English: The first thing ^you can do is to ^find the ^best one to do. Although neither light nor matter can escape from a black hole, its existence cannot be directly observed, its existence cannot be directly observed, but when gas is sucked in from the surrounding stars and space, a very large amount of energy is emitted. This is observed with all kinds of electromagnetic waves, from gamma-rays, X-rays to radio waves.

Astronomical objects such as white dwarfs, neutron stars, and black holes are in high density and high temperature conditions that cannot be achieved in labs on Earth, making them extremely important for studying extreme physics.

The various celestial phenomena that have been mentioned up until now have been established theoretically by physics, and vice versa, the theory is proven by observation. A typical example can be seen in Newton's Law. The black holes, which were theoretically predicted to exist, were also revealed through observations of electromagnetic waves. There is a quasar that moves away at 90% of the speed of light, and if Hubble's Law is applied to this, the observations will allow us to know the past states for hundreds of billions of years. For this reason, efforts are made to search for quasars farther away using huge telescopes. So, the above-mentioned relationships can be established for all celestial phenomena, which cannot be said. The theory of modern astronomy is based on the theory of relativity and quantum mechanics, and the theory of relativity has been verified by observations such as the phenomenon in which the light of a star passing near the sun is bent about 1.8 arcseconds, the phenomenon in which Mercury's perihelion moves about 0.43 arcseconds per year, or the phenomenon in which a distant quasar has a gravitational lens in which a gravitational lens is shaped to be seen when the distance quasar is in the same direction as the nearby galaxy. However, for example, the Big Bang universe based on these theories can be revealed until the theory is 10 ^-44 seconds after the Big Bang and the universe was 10 ³² K, but today's observation technology using electromagnetic waves does not allow us to see the universe before 100,000 years after the Big Bang. This is because the material density of the universe at that time was too high, and electromagnetic waves were unable to fly freely through space.

As we have seen above, today astronomy is no longer an independent academic field, with astronomy alone. It is closely related to physics itself, various fields of physics, chemistry, biology, and geophysics in the sense of planetology. Meteorology is also beginning to have a relationship in the handling of the Sun and Jupiter's atmosphere. Astronomy is entering an era that is truly a comprehensive science.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Astronomy and other fields

Astronomy and Society

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do. This tradition continues to this day, with the compilation of calendars often carried out by agencies directly under the government of each country. In Japan, it is compiled by the National Astronomical Observatory and the Japan Coast Guard Waterway Division, and in the United States, the Naval Observatory in Washington.

During the Age of Discovery in the 15th and 16th centuries AD, stars were used to accurately determine the location of ships sailing across vast oceans, and therefore efforts were made to accurately observe the position of stars on the celestial sphere. One example was the establishment of the Greenwich Observatory in England in 1675, and European countries built observatory observations one after the other. This led to great astronomical discoveries such as the intrinsic movement of stars and differences in light. In modern times, astronomy has become one of the pure sciences. However, in some cases, it is still politically used. The movement of satellites, including military satellites, is based on celestial mechanics, but not only is this practical thing, but there are also cases in which humans and lunar exploration in the Apollo program were used to promote national prestige.

The relationship with modern astronomy's economy is not as direct and deep as it was in the ancient agricultural period. It is probably the only way to monitor solar flare phenomenon to predict the effects of radio interference caused by the Dillinger phenomenon on Earth. On the other hand, it can be said that astronomy has contributed to industrial technology in the sense that it is useful for advancement in physics. Furthermore, cutting-edge industrial technology is required for astronomy observation research, and products developed to advance astronomy have raised the standard of industrial products. A typical example of this is probably the highly sensitive CCD imaging devices used in space telescopes.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Astronomy, Philosophy, Religion

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do. The 1054 supernova explosion (now called the Crab Nebula), which is recorded in China and Japan as being brighter than Venus, is probably not recorded in Europe under the idea that what exists in the universe is unchanging. The friction caused by the heliocentric theory advocated by Copernicus and Galilei with the Christian world is well known. In May 1983, after 350 years of Galilei's convict in the inquisition, Pope John Paul II officially admitted that his ruling on Galilei was wrong. This could be said to have been a time in a way.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do. In terms of understanding the universe, astronomy began to have a close relationship with religion and philosophy again.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Trends in modern astronomy and its future

As with astronomy, it is important to accumulate more data, just as the underlying method. Now that stars, galaxies, and quasars change their intensity at each wavelength range, the amount of data required is enormous. Therefore, high-precision, efficient observations are essential for more telescopes. In order to find distinctive celestial phenomena from many celestial bodies, it is also increasingly necessary to observe by amateur astronomers.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do.

Surfaces that emit radio waves and X-rays are generally dark in visible light, and it is necessary to construct ultra-large-diameter telescopes to observe them. After the 508-centimeter telescope at the Paloma Mountain Observatory in 1948, the construction of large-diameter telescopes, which had been in decline for a while, were constructed in Japan, the United States, Russia, and other countries on a scale that was far greater than the previous ones, and nine large-diameter telescopes were completed one after another, including the 8.2-meter telescopes installed by Japan in Hawaii.

With the completion of these large devices, it is certain that major astronomical discoveries are beginning to be made. However, unlike telescopes Galilei built with his own funds and capabilities, it costs a massive cost of several tens of billions of yen. This aspect of astronomy is far beyond the scope that can be done by a single human hobby, as it used to be. Astronomy developed based on human infinite intellectual interest in the universe, and is still tackling important issues today. It is also true that astronomy has grown to such a great extent that we must reconsider the meaning of the universe one by one.

One important point in modern astronomy trends is that, rather than just being observed using electromagnetic waves, it can now be investigated at the site. The artificial probe Apollo has investigated the moon. Jupiter and other planets were explored by the planet Pioneer and Voyager. These are very powerful means of analyzing them directly near the object they are trying to investigate. The problem with this method is that it is unable to continue sending spacecraft one after another, and that the range of use of this method is limited at most within the solar system at this stage.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

Historical discoveries of astronomy

Many of the discoveries of astronomy come from the accumulation of data over the years. Here we will list some important discoveries in the history of astronomy.

Regarding forecasting of sun and lunar eclipses, the Saros cycle in which the sun and moon return to almost the same position over 19 years was found in the 7th century BC. Around 150 BC, Hipparcus created a catalogue of about 1,000 stars, indicating that the stars were precessed. Copernicus' heliocentric theory in 1543 is well known to overturn previous geocentric theory, but in 1596 Fabrician's discovery of the variable light in the star (Milla) of Omicron, Whale, greatly changed the way he thought of stars that had previously been thought to be unchanging. Galilee discovered sunspots with a telescope, Jupiter's four major satellites, and Saturn's ears (rings), but in 1610 Fabrician realized that the sun was rotating.

Solar parallax was measured by Cassini in 1672, and combined with Kepler's law, the distribution of planets in the solar system was determined. Newton's Law of Universal Gravity allowed accurate prediction of the mutual position of each object, which continued in 1675 to determine the speed of light using the eclipse of Jupiter's satellite.

A series of analysis of solar system bodies were carried out one after another, such as the discovery of Uranus by F.W. Herschel in 1781, the discovery of the asteroid Ceres by Piazza in 1801, and the discovery of Neptune by Adams in 1846, revealing the effectiveness of celestial mechanics.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do.

The discovery of the period-luminosity relationship of Cepheus variable stars by Lewis in 1908 revealed that Andromeda galaxy is not a celestial object within the galaxy, but one of the galaxies that are about 2 million light-years apart. In 1927, Oart and his colleagues found that the galaxy rotated at a high speed of 250 kilometers per second, and found that there are many diverse celestial objects within the galaxy as well. In 1925, Eddington showed the existence of a high-density object called a white dwarf, which was a stepping stone to the discovery of a neutron star, a black hole, in X-ray observations in the 1970s. Around 1939, Weizzecker and Bethe showed that the solar heat source was generated by atomic fusion reactions, and the evolution of stars was also revealed.

In 1929, Hubble sought the relationship between the speed and distance of galaxies, indicating that the universe is expanding, and this discovery led to the Big Bang universe. The first one was discovered in 1963, the Quasar, a celestial body that moved away at a speed close to the speed of light, and it was a sight of the old form of the universe. The 3K radiation discovered by Pengius and others in 1965 was a remnant of the electromagnetic waves emitted 100,000 years after the Big Bang, when the universe became transparent.

Astronomy continues to create new discoveries one after another, but all of these have been made after accumulating data over many years. The accumulation of better data continues to continue, and the next discoveries based on these are expected.

[Shuzo Isobe May 19, 2015]

"Lecture of Contemporary Astronomy, Vol. 15, separate volume, Vol. 1 (1979-1983, Koseisha)" ▽ "Hirose Hideo, "An Attempts on History of Astronomy" (1981, Seibundo Shinkosha)" ▽ "The World of Neutron Stars" by Futami Yasuhiko (1982, Science Publishing)" ▽ "P.C.W. Davis, translated by Toda Morikazu, "Why does the Universe exist?" (1985, Iwanami Shoten)" ▽ "Isobe Kozo, "The Working of the Universe" by Isobe Kozo (1993, Nihon Jitsugyo Publishing)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

天文学とは、ひとことでいえば「地球外の天体や物質を研究する学問」ということになる。近年の科学知識の普及により、天文学を天気予報と関係したものであると考える人は少なくなってきてはいるが、それでもなお、空でおこる現象はすべて天文現象であると誤解される場合も少なくない。

［磯部琇三　2015年5月19日］

天文学の対象

天文学は歴史的な発展の過程のなかで、対象を拡大し、内容を豊かにして、科学として成立してきた。天文学は4000年以上もの長い歴史をもつ医学とともに、もっとも古い学問の一つである。古代のメソポタミアやエジプトでは、農耕のための季節の移り変わりを知る必要から天球上の星の動きが観測された。水星、金星、火星、木星、土星などの明るく目だつ天体の動きが、天球上に散在する星々の日々の動きである日周運動とは異なっていることがみつけられ、古代人が住み着いた地域に大地を中心としたさまざまの宇宙観が形づくられた。

　それらの宇宙観のうち古代ギリシアにおいては、ヒッパルコスによるより精度の高い天体の観測と、その300年後にギリシア天文学の最高峰を築いたプトレマイオスによる天動説によって、宇宙像はより確かなものとなった。この時代の天文学は、星々が天球上に張り付いた平面的な認識であり、しかも宇宙は変化してはならないという原則が根底にあった。ギリシア・ローマ時代、すでにハリー彗星(すいせい)の接近など天体現象の多様性を観測することができたが、彗星現象などは大気中におこる現象であるとされていた。これは、天体までの距離を測定する手段をもたなかったためである。

　コペルニクスの地動説は、地球が動くか太陽が動くか、という天文学上の大きな問題を投げかけた。さらに地動説の登場によって太陽系の各天体間の距離が重要な問題となった。これに答えたのが、ティコ・ブラーエによる肉眼観測だけで得た精密で大量の位置観測データに基づいて求められたケプラーの法則であろう。これによって、地球と太陽の距離を単位（現在では1天文単位とよぶ）としてではあるが、太陽系内の各天体間の距離が明らかになった。

　17世紀、大航海時代を迎えて、船の位置を正確に知るために天測が行われた。天測に使う星の位置を正確に示した星図や星表が出版された。これとヒッパルコスのカタログとの比較から、それまで変化しないと考えられていた星（恒星）が、日周運動以外に互いに位置を変える固有運動を示すことが発見された。天文学が太陽系空間から恒星空間に広がったといえる。

　地球が太陽の周りを回っていれば観測されるはずであると考えられた恒星の視差測定は1838年になってようやく行われ、これによって恒星の世界を三次元的にとらえることが可能になった。それ以前にF・W・ハーシェルは、銀河系という太陽を含む星々の大きな集団の存在を指摘している。銀河系の大きさが3万光年にも及ぶ巨大なものであることが判明したのは20世紀に入ってからであり、さらに全体の構造が明らかになり始めたのは電波観測が行われてからである。

　銀河系の外にある巨大な星の集団―銀河の研究も進み、100億光年余りの距離の天体まで調べられるようになった。宇宙は138億年前にビッグ・バンによって始まり、その中から銀河や星々が形成され、そしてそれらの天体が進化し、滅んでいくことも明らかになってきた。

　天文学はそれらの巨大な宇宙の姿を取り扱っており、その中に存在するものは互いに密接な関係をもつようになった。宇宙のビッグ・バンの直後に放射された電磁波が3K放射として観測されており、そのころに形成された水素原子やヘリウム原子が特定の星の中に化石として残っている。一方、星の中で形成された元素が星間空間に放出され、それが次の星の誕生時に取り込まれたのが、地球上でみられるような多くの元素である。このように、地球を調べる場合でも、それらの元素の起源を尋ねる場合には天文学と関係をもたなければならなくなってきている。

　今日の天文学はかつての天文学のように可視光だけによる観測ではすまなくなっている。可視光と同じ電磁波である電波、赤外線、紫外線、X線、γ(ガンマ)線などあらゆる手段が用いられ、対象とする天体の範囲は3Kから数億Kという多様な温度に拡大している。さらに太陽系空間では、人工飛翔(ひしょう)体（探査機）が現場まで飛び、その場で物質を化学的に調べることが可能になっている。

　冒頭で天文学を大気の外の現象を研究する学問であると述べたが、天文学は長い歴史のなかでその対象を拡大し、現代にあっては単に天文学という一つの学問の範疇(はんちゅう)に収まりきれず、他の多くの学問との密接な協力を必要としてきている。星々の大気を調べる宇宙化学、そして高分子からもっと大きい生命の基となる物質を求める宇宙生物学などの分野も開けてきている。

［磯部琇三　2015年5月19日］

天文学の方法

肉眼による観測

天体観測のもっとも簡単な方法は肉眼で夜空を見上げることである。夜空に輝く星々を見ることが宇宙のさまざまな事象を考える一つの契機になっていることは確かである。古代の人々も夜空の星を見てそれぞれの宇宙像をつくりあげた。

　肉眼で見える天体は、数千個（全体で6000個）の恒星と5個の惑星、月、太陽、それにときおり現れる彗星と新星（超新星）である。彗星や超新星は何年かに1回ぐらいしか現れないので、ほとんど決まった天体を見ていることになる。その結果、肉眼観測においてもっとも関心がもたれたのは星々の天球上の位置であり、天体の位置を測定するためにさまざまなくふうがなされた。水平線のような基準となる方向からの角距離を求める四分儀や六分儀（中国では渾天(こんてん)儀）などが発明された。とはいえ、人間の目はそのレンズの大きさや視細胞の大きさによって1分角より細かく分解して見ることはできず、熟練した観測者がこれらの装置を用いて観測しても、せいぜい0.1分角の精度の位置しか得られなかった。

　肉眼による観測は、恒星のように相対位置に変化がみられない天体では新しい事象を明らかにすることはほとんどできなかったが、太陽、月、惑星のように天球上を動く天体に対しては有効な手段であった。メソポタミアや中国では惑星の周期ばかりでなく、日食や月食の予報もある程度行われていたし、また月の動きがより高い精度で求められ、太陰暦をつくる基礎となった。つまり長年月の肉眼による観測を記録し比較することによって正確な暦を作成したのである。

［磯部琇三　2015年5月19日］

望遠鏡の導入

1608年、オランダの眼鏡職人リッペルスハイHans Lippershey（1570―1619）が初めて望遠鏡をつくり、翌年ガリレイが天体観測に望遠鏡を用いて、天文学に大きな革命をもたらした。望遠鏡の使用が天文学に与えた影響には二つの側面がある。一つは、人間の目の瞳孔(どうこう)より大きい口径の対物レンズ（鏡）が、天体からの光を多く集めてより暗い天体をとらえることができるようになり、太陽系内では天王星や海王星、そして数々の小惑星が発見され、また彗星や新星の発見の数が肉眼観測に比べて著しく増大したばかりでなく、多くの星が明るさを変えていること、恒星はつねに変わらない天体であるという考え方が当てはまらないことなどが明らかになった。このように望遠鏡によって観測可能な天体が増えてくると、より多くの人々の協力が必要となり、それが多くのアマチュア天文家の誕生を促した。天文学は他の学問分野と異なって、アマチュア天文家が学問の一部を担うことができる例外的な学問である。

　望遠鏡の使用によるもう一つの側面は、対物レンズ（鏡）の口径に反比例して角分解能が向上することである。ガリレイは木星の四つの衛星を発見したが、これは、望遠鏡により木星本体と衛星を分離して見ることができることによって可能となったのである。それまで連続的に輝いていると考えられていた天の川が、多数の星が重なり合っていることも明らかにされた。また20世紀に入り、アンドロメダ銀河が銀河系内の天体であるか系外の天体であるかを決める最大の鍵(かぎ)となったのは、星雲状の部分が個々の星に分解でき、その距離を測定することが可能になったためである。対物レンズ（鏡）の口径を大きくすることによる角分解能の改善（口径10センチメートルの角分解能は約1秒角、100センチメートルでは0.1秒角）は、多くの新しい発見を可能にしてきた。しかし地表に近い所では大気のゆらぎによって点像が1秒角以上に広がってしまい分解能が低下する。このため、近年は大気のゆらぎの少ない標高4000メートル級の高山に望遠鏡を設置し、その困難を除去する努力がなされている。また口径2.4メートルの望遠鏡をスペースシャトルに積み込んで大気圏外に持ち出したスペーステレスコープ（ハッブル宇宙望遠鏡）によって0.02秒角の分解能も可能となり、たとえばハリー彗星が遠日点に達した30等級の暗さでも観測することができる。つまり望遠鏡の口径の増大は、暗い天体の観測を可能にするばかりでなく、角直径の小さい星の観測にも有効である。

　望遠鏡の導入は、天体の位置測定の精度を100倍以上に高め、高精度の観測によって得られたデータを説明するために、ニュートンの万有引力の法則が考えられた。そして太陽系の天体の動きはすべてこの法則に従っていることが示され、さらに恒星間空間や銀河間空間の説明にもこの法則が用いられていった。恒星の運動がニュートンの法則に従うか否かを調べるためには、その距離を求めなければならない。1838年暮れから1839年正月にかけて、ベッセル、ヘンダーソン、ストルーベらによって次々と恒星の年周視差が求められた。その測定には望遠鏡が用いられたとはいえ、肉眼による観測であり、個々の星の位置と他の恒星の位置を比較し決定するもので、非常な困難を伴った。

［磯部琇三　2015年5月19日］

写真術の応用

1839年写真術が発明され、翌年すでにドレーパーが月の写真を撮った。写真術の天体観測への応用も天文学を進める大きなステップとなった。写真の特徴は、天体からの光を蓄えられること、データとして保存できること、などである。人間の目は10分の1秒の光を蓄える能力をもつが、それより長時間見ていても暗い天体を観察することは不可能である。写真では1時間の露出をすれば1時間分の光を加え合わせた天体の撮影が可能であり、たとえば彗星や散光星雲などのように暗く広がった部分を撮るのに威力を発揮する。データ保存の機能を有する写真は、新星や変光星などの性質を調べるためには欠くことができない。最近発見されたγ線を突発的に放射する特異な天体が、80年前にハーバード大学天文台で撮られた写真のなかに写っていたという例もある。また半年の間隔を置いて撮られた2枚の乾板を比較して、数百光年より近い星の年周視差が求められたり、それらの星の光をプリズムを用いてスペクトルに分け、星の大気の状態が明らかにされている。

　星の本来の明るさである絶対等級と星の表面温度を示す量であるスペクトル型の関係はヘルツシュプルングとH・N・ラッセルによって研究され、この関係を示した図はHR図とよばれるが、この図を用いて、年周視差の測定できない星々の距離が決定されている。さらにセファイド（ケフェウス）型変光星の変光周期は、その絶対等級との間に一定の関係が成立することがわかり、星のスペクトル写真を撮らなくても距離が求められるようになった。

　写真撮影によって星のスペクトル線が写せるようになると、そのスペクトル線の本来の位置からのずれをも測定することができるようになった。ずれを引き起こすおもな原因は、天体と観測者との間の視線方向の動きによるドップラー効果である。星の固有運動と距離の値から横方向の速度が求められ、これによって三次元的な運動が明らかになった。ハッブルは、1917年にウィルソン山天文台に完成した口径257センチメートルの当時世界最大の望遠鏡を使って銀河のスペクトル写真を撮り、それらの視線速度を測定して観測される銀河までの距離に比例して後退速度が速くなるというハッブルの法則をみつけた。ハッブルの法則は、銀河の分布している宇宙は膨張しているという考えの基礎となった。

　写真観測の欠点は、乾板に乳剤を塗布したものを使うために精度が悪く、0.1等級程度の誤差が生ずること、さらに露光後の結果がみられるまで現像時間があるため、刻々と変化する天体の観測に不利であることなどである。

［磯部琇三　2015年5月19日］

特殊観測装置の登場

1930年代から光電効果を使った受光器が用いられるようになり、さらに電子を増幅することにより0.002等級という飛躍的な精度で天体観測ができるようになった。セファイド型変光星のような規則的な変光を示すものばかりでなく、地球軌道より直径の大きいミラ型変光星の大気のゆらぎや、突然に爆発的に輝きだすフレア星の存在も明らかにされた。連星は、その軌道周期や光度変化を使って、それぞれの星の質量を決めることができる重要な天体である。二つの星が互いに隠し合う食現象の観測によって、個々の星が球形からどのように変形しているかを求めることができる。このためには高精度の等級決定が必要なのである。

　光電子増倍管による観測では一時に一つの星しか観測できないため、多数の天体を同時に観測でき、しかも精度のよい受光器が求められた。1970年代、テレビ技術の急速な発展によってそれが可能になってきた。さらに電荷結像素子（CCD）を用いた装置が開発され、入射光の90％以上が有効に使える二次元画像受光器が可能になった。その結果、土星より外にあるハリー彗星のような24等級の天体を数十分の観測でとらえることができるようになった。望遠鏡の口径の増大とともに高精度の二次元画像受光器の採用は、これまで観測が困難であったクエーサーやパルサーの検出、星の誕生の場所の観測など多方面での新しい研究を開く要因となってきている。

［磯部琇三　2015年5月19日］

電波による観測

1930年、アメリカのジャンスキーによって銀河の中心から電波がくることが発見されたことが契機となって、電波天文学という新しい分野が開かれた。1944年、水素原子から放射される電波が波長21センチメートルの電波として受信できることが予言され、1951年、ユーインHarold Irving Ewen（1922―2015）とE・M・パーセルがその観測に成功し、星間空間には星の質量に匹敵するガスが存在することが示された。1970年代以降、急速な電波天文学の発達により、センチメートル波帯からミリメートル波帯へと新しい波長領域が開かれるにつれて、星間空間において簡単な分子から複雑なものまで多数の分子がみつけられた。このような分子を含むガス雲の密度は星間空間としては高く、太陽の質量の数十万倍の質量のガスを含む分子雲を形づくっている場合が多い。

　可視光の場合と同様に、電波観測においてもより暗い天体をより詳しく観測する必要が大きくなっている。電波観測の最大の欠点は角分解能が悪いことで、たとえば可動式では世界最大のエッフェルスベルグ（ドイツ）の電波望遠鏡は口径100メートルであるが、波長1センチメートルでは0.5分角の分解能しかもたない。この欠点を補うために干渉計という技術が開発された。超長基線電波干渉計は0.001秒角の分解能をもち、遠距離のクエーサーが非常に小さな天体であることを明らかにしている。

［磯部琇三　2015年5月19日］

超高空・大気圏外からの観測

可視光より波長の長い赤外線の存在は19世紀にわかっていたが、それらの電磁波を受光する装置がなかったため赤外線天文学は進展しなかった。赤外線の観測が始められたのは1960年代である。赤外線観測では、大量の星間塵(じん)を含む分子雲内でガスが収縮して新しい星の誕生がおこると、星の光のエネルギーで温められた星間塵が赤外線を放射する姿をとらえることができる。また電波観測との協力によって星間雲から星への進化のシナリオを描くことが可能となってきている。地球の大気に遮られて地上に届かない波長100マイクロメートルの遠赤外線の観測には、望遠鏡を気球にのせて上空での観測が行われている。1983年にはIRASとよばれる赤外線用人工衛星が打ち上げられ、宇宙に散在する低温の天体を次々に発見、またベガのように通常の恒星の周りにも惑星系の元になるような塵(ちり)の円盤が存在することなどをみつけた。さらに1996年にはISOという赤外線用人工衛星が打ち上げられ、より大きな発展を示した。

　紫外線、X線、γ線などの観測も大気圏内では不可能である。1946年に最初のX線観測のためのV2ロケットが打ち上げられた。1970年代以後、ロケットや人工衛星の技術の発達により、紫外線天文用としてコペルニクス衛星や国際天文紫外線衛星が、X線用として、はくちょう衛星、てんま衛星、アインシュタイン衛星などが打ち上げられた。それらは星間空間の観測ばかりでなく、星の周りにおける10万～1000万Kに及ぶ高温の領域が存在すること、太陽のコロナのように星の周りにもコロナが存在すること、超新星の爆発エネルギーにより分子雲のような低温のガスの近傍に数十万Kに達する高温ガスが隣り合わせに存在することなどをつきとめ、また、かに星雲の中心星が中性子星となって強力なX線を放射していることや、なかにはブラック・ホールと考えられる天体もみつけている。

　新しい天文学は急速な発展をみせて、数多くのデータを蓄積するに至っている。天文学の方法はさまざまな観測手段の開発とその発達によって発展してきた。

［磯部琇三　2015年5月19日］

天文学の分野と他の自然科学

天文学は高等学校の教科では地学に組み込まれている。その理由の一つは、地学の手法と共通して多数の観測（観察）例を集めて、そのなかから法則性をみいだそうとする手法によっている。ヒッパルコスは多くの星の位置を精密に測定し、それらの星々を繰り返し観測してデータを整理することによって歳差とよばれる現象をみいだした。ハッブルは銀河の距離とドップラー効果による視線速度のデータを並べてハッブルの法則をみいだした。このように天文学ではさまざまな観測データを並べ、それらを洞察力をもった目でみることによって新しい法則性がみつけられる場合が多い。つまり、より多くの観測データを集めることが天文学にとっては重要な課題である。

　17世紀初頭、ケプラーの法則が提出されて以後、天体の動きは統一された法則に従って取り扱われるようになった。ケプラーの法則は、ニュートンの万有引力の法則によって統一された。天体の軌道問題をニュートン力学の下で解くためには、微分・積分学の知識が必要である。数学における微積分学の展開は、惑星・小惑星ばかりでなく、彗星の軌道計算を可能にし、ニュートンの友人であるハリーはのちに彼の名が冠せられた大彗星の軌道を発見した。

　天体力学の確立は太陽系内の天体の運動を正確に記述することを可能にした。このことが、物理定数のなかでもっとも重要な光速度の決定を可能にした。たとえばレーマーは、木星の衛星の食の周期の観測によって光の伝播(でんぱ)に時間のかかることを発見、光速度を求め、またブラッドリーは、光速が有限であるために地球の公転運動の速度に対応して、天球上の星の位置がずれる光行差の現象を発見した。

　光速が有限であることは各方面に大きな影響を与えた。遠い天体ほど昔の姿をみせているという事実は宇宙の理解の仕方を変え、相対性理論のように時間と空間の等価性をもった理論へと発展していった。また宇宙のビッグ・バンモデルにおけるより遠くの天体を観測することによって、宇宙の始まりに近いところを調べることになるというのも光速の有限性からくるものである。光速有限性を使った新しい観測術も試みられている。地球からレーザー光線を放射して月あるいは人工衛星の表面に設置した鏡に反射させ、戻ってくる時間を測って距離を求める方法で、望遠鏡による位置の測定よりもはるかに精度が高く（誤差1センチメートル以下）、宇宙技術の進展に欠くことのできない観測技術である。

　ニュートンは1666年に三角プリズムを使って太陽の光がスペクトルに分解できることを示したが、天体の光がスペクトルに分散できるというこの発見は、天体物理学の基礎として重要であり、天体力学における万有引力の発見に匹敵する。19世紀初頭、分光器の改良を進めていたフラウンホーファーは太陽スペクトルのなかに多くの暗線のあることを発見、1850年代、オングストレームとストークスが、それらの暗線のある位置が実験室で見られるナトリウムのスペクトル線の位置と一致していることをみつけた。この発見は、太陽さらには恒星の化学組成を明らかにする第一歩となった。ローランドは太陽スペクトルを詳しく調べ、地上でみられる36個の元素による吸収線をみつけ、またロッキャーらは太陽スペクトルから、それまで地上にみられない元素による吸収線を発見、ヘリウムと名づけた（のちにヘリウムは不活性ガスとして地上に存在することが明らかになった）。地上に存在しないと考えられた元素に、コロナの中にみつかったコロニウム（1870）、星雲中のネブリウム（1927）がある。コロニウムは100万Kもの高温で存在できる鉄原子が13回電離したものであり、ネブリウムは酸素原子などの電子軌道間の遷移のうち、量子力学によって禁止されているものであった。これらの発見は量子力学を形成するうえでも重要なものであった。1913年にボーアは原子モデルを発表して、水素原子のスペクトル線が原子核の周りの電子軌道の遷移で説明できることを示した。

　原子核物理学が進み、1919年にはラザフォードが原子核の人工転換に成功した。その結果から、それまで説明困難であった太陽や恒星のエネルギー源が、水素原子からヘリウム原子に変わる核融合反応によるものであることが明らかになった。そして20世紀初頭に得られたHR図上の星々の分布は、さまざまな質量の星がその内部で原子核融合反応をしているその反応の各段階のようすを示していることもわかってきた。

　天体物理学は、星の表面の性質やその内部の状態を明らかにするばかりでなく、星間空間にも物質があることをつきとめた。1905年、ハルトマンは、星間空間にカルシウムおよびナトリウムの元素による吸収線を発見した。ついで電離酸素やカリウム、鉄などの物質が発見され、化合物として炭化水素CH、シアンCNなどの分子の存在が確かめられた。さらに電波観測技術の発展により、1963年には水酸基OHがみつかり、それ以降、一酸化炭素CO、水蒸気H₂O、硫化水素H₂Sなど60個以上の分子の存在が確かめられている。新しくみつかった電波スペクトル線がどのような分子に対応するのかを調べるために、室内実験や理論計算によっていろいろの分子線の波長が決められ、複雑な分子までが研究対象になっている。

　星間空間には、分子のほか1マイクロメートル以下の微粒子が存在する。これらの微粒子は光の波長よりも小さく、光を散乱する度合いが波長によって異なり、波長の短い光ほど強く散乱・吸収する。そのため遠い星の光が見かけ上すこし赤みがかって見え、これを星間赤化とよぶ。これらの微粒子の表面を触媒として星間分子の大部分は形成されている。今日では微粒子表面だけでなく、ガス状態の分子どうしの化学反応の研究も重要になっている。

　固体微粒子の組成の研究も重要な課題となっている。太陽や星などでは各元素の存在の割合がほぼ一定の値であるが、星間ガスでは水素原子やヘリウム原子を除くと、その割合は太陽などに比べて少なくなっている。少なくなった元素の多くは固体微粒子の中に閉じ込められている。これらは星間塵とよばれ、酸素を主成分とする水、炭素のグラファイト、ケイ素の砂粒などがおもな成分である。星間塵は星を誕生させる分子雲の中に多量に存在し、周りの熱源に対応していろいろの温度の赤外線を放射している。星がどのように誕生するのか、またその周りに太陽系のように円盤状に物質が集まり惑星系がどのようにつくられるのかは、この星間塵の性質によって異なってくる。天体現象の説明には固体物理学の知識が必要になってきている。

　星間分子の多くは星間塵の表面で形成され、しかも複雑な分子まで発見されているが、電波観測でそれらが発見されるためには、星間空間の視線上に10¹³個以上の同種類の分子がなければならないことを考慮すると、その数は少ないであろうが、より複雑な分子の存在が考えられる。そして星間塵の主成分が水や炭素原子であることを考え合わせると、生命の基になる有機物質が存在する可能性もある。このような状況と、星が誕生するときに惑星系を形成する可能性が強いことから、地球以外の宇宙に存在の可能性がある生命体についての研究がなされている。宇宙生物学が始められている。

　原子どうしが密に結合して自由に動けなくなったのが固体である。一方、太陽程度の質量の星の進化の最後の段階にあたる白色矮星(わいせい)は、原子どうしの表面が接触するぐらいに詰まった天体である。太陽よりはるかに質量の大きい星の場合には、原子核の中に電子が押し込められてしまい、すべてが中性子でできた中性子星になる。1立方センチメートル当り10⁶グラムの白色矮星と、10¹⁵グラムの中性子星の間には大きな隔たりがある。しかしこのような星は一種の固体として取り扱うことができる点において共通している。中性子星の多くは強いX線源である。そしてX線源として有名なはくちょう座X‐1やコンパス座X‐1には、中性子星よりも密度の高いブラック・ホールが存在している可能性が強い。中性子星では素粒子の核力によって互いにつぶれないように支えているが、1立方センチメートル当り10¹⁵グラム以上の密度になると核力では支えきれなくなって押しつぶされる。これがブラック・ホールである。ブラック・ホールからは光も物質も逃れ出すことはできず、したがってその存在を直接観測できないが、その周辺の星や空間からガスを吸い込む際に非常に大きなエネルギーが放出される。これがγ線、X線から電波までのあらゆる電磁波で観測される。

　白色矮星や中性子星、ブラック・ホールのような天体は、地球上の実験室では実現できないような高密度・高温度の状態にあるので、極限の物理学を研究するうえで非常に重要である。

　これまであげてきたさまざまな天体の現象は、観測の結果が物理学によって理論的に確立され、あるいはその逆に理論が観測によって証明されるものであった。その代表例はニュートンの法則にみることができる。理論的に存在が予想されたブラック・ホールも電磁波の観測によって明らかにされた。光速の90％もの速さで遠ざかるクエーサーがあり、これにハッブルの法則が適用されれば、その観測によって百数十億年も過去の状態を知ることができる。そのためにより遠くのクエーサーを探す努力が巨大な望遠鏡を使って行われている。それでは、あらゆる天体の現象について以上のような関係が成り立つかといえば、そうとはいいきれない。現代の天文学の理論の基礎となっているのは相対性理論と量子力学であり、その相対性理論は、たとえば太陽の近傍を通過する恒星の光が約1.8秒角曲げられる現象や、水星の近日点が1年に約0.43秒角余分に動く現象、あるいは、遠方のクエーサーが近傍の銀河とほぼ同じ方向にあると重力レンズがあるような形になってまったく同じ二つのクエーサーが見える現象などの観測によりその正しさが確かめられている。しかし、たとえばこれらの理論によるビッグ・バン宇宙について、理論的にはビッグ・バン後10^-44秒、宇宙が10³²Kであったころまで、その状態を明らかにすることができるが、今日の電磁波を使っての観測技術では、ビッグ・バン後10万年より以前の宇宙の姿を見ることはできない。それは、そのころの宇宙の物質密度があまりにも高く、電磁波は自由に空間を飛ぶことができなかったためである。

　以上みてきたように、今日では、天文学は天文学のみで独立した学問ではありえなくなっている。物理学そのものであったり、物理学のいろいろな分野、化学、生物学、そして惑星学という意味での地球物理学などと密接な関係にある。気象学も太陽や木星の大気の取扱いにおいて関係をもち始めている。天文学はまさに総合科学であるというのにふさわしい時代を迎えているのである。

［磯部琇三　2015年5月19日］

天文学と他の分野

天文学と社会

人類はその誕生後、長い狩猟生活の期間を経て、しだいに農耕を行うようになった。種を播(ま)く時期を決めるために季節を知る必要性が出てきた。夜空の星を見、太陽の動きを観測することがその第一歩であった。古代エジプトではシリウスが日の出直前に東天に昇るころの一定時期にナイル川が氾濫(はんらん)し農業や生活に大きく影響を及ぼすところから、氾濫を予報するためにシリウスの日の出直前の出現を予知する必要が生じ、1年の長さを知った。このように天文学の始まりは農業から出ているといえる。そして農業がそれぞれの国の主要な産業となってくると、季節の変化を予報することが権力者である国王にとって重要なものとなった。季節の変化ばかりでなく、日月食などの天文現象を正確に予報することは権力者の威令を行き届かせ、人民を支配するうえで重要であった。そのため中国でもギリシア、ローマでも権力者は専門の天文官を置いて天体の観測を古くから行ってきた。このような伝統は今日にまで続き、暦の編纂(へんさん)は各国の政府直属の機関で行われることが多い。日本では国立天文台と海上保安庁水路部、アメリカではワシントンの海軍天文台が編纂している。

　紀元後15～16世紀の大航海時代、広大な海原を航行する船の位置を正確に知るために星が使われ、そのために天球上での星の位置を正確に観測する努力がなされた。その一例が1675年のイギリスのグリニジ天文台の創設と、その前後に相次いでヨーロッパ各国が天文台を建設したことである。これにより恒星の固有運動や光行差など天文学上の大きな発見がなされた。現代では天文学は純粋科学の一つと考えられるようになってきた。しかしそれでも場合によっては政治的に利用される場合がある。軍事衛星を含む人工衛星の動きは天体力学を基礎に解析されているが、このような実際的なものばかりでなく、アポロ計画での月面への人間の送り込みと月探査が結果的に国威発揚に利用されるといった例もある。

　現代の天文学の経済とのかかわりは古代の農耕時代のように直接的ではないし、深いものではない。太陽フレア現象の監視から、地球でのデリンジャー現象による電波障害の影響を予報するといった程度のものであろう。一方、天文学が物理学の進歩に役だっているという意味で、工業技術に貢献してきたといえる。さらに天文学の観測研究には最先端の工業技術が要求され、天文学を進めるために開発された製品が工業製品の水準を高めている側面もある。その代表的なものがスペーステレスコープに使われている高感度のCCD撮像素子であろう。

［磯部琇三　2015年5月19日］

天文学と哲学・宗教

天体現象の多くのことがわかってきた現代においても、夜空を眺めると宇宙の深遠さに心打たれる経験をもつ人は多いであろう。数千年も昔の人々は昼夜の変化ばかりでなく、日々に変わる星空に大いに興味を抱いたであろう。石器時代末期に数多くの星座などの彫刻が生まれるようになったのは、そのような人々の意識の表れであろう。古代では天文学は天体現象の予報という実際的な側面と、宇宙の構造に関する哲学的な側面との二つの方向に広がっていった。そして宇宙は土・水・風・火の4元素からなるとする原則を考え出す一方、宇宙は神によってつくられ、天体現象は神の意志の表れとする宗教的な側面にまで連なっていった。そのような時代にあっても、天体を観測するという点では科学的な態度が貫かれた。とくに紀元前6世紀、古代ギリシアのタレスをはじめとするイオニア学派は、宗教や神話から独立した科学的視点から天体現象の説明を試みている。しかしこのような流れも、ヨーロッパ中世を通じて、宇宙は神の創造物とする考え方に支配されて進展をみせなかった。中国や日本では金星よりも明るくなったと記録されている1054年の超新星爆発（現在かに星雲とよばれる）も、ヨーロッパでは、宇宙に存在するものは不変であるという考えの下に記録されなかったのであろう。コペルニクス、ガリレイが唱えた地動説がキリスト教界との間に引き起こした軋轢(あつれき)についてはよく知られている。1983年5月、ガリレイが宗教裁判で有罪となって350年を経て、法王ヨハネ・パウロ2世はガリレイへの判決が誤りであったことを公式に認めた。このことはある意味で一つの時代を画したといえるであろう。

　ガリレイが主張した宇宙観は太陽系の中だけの話であった。しかし現在の宇宙論は、恒星界から銀河の世界、さらにはビッグ・バンという宇宙創生の時点にまで膨大に広がっている。ガリレイの時代、神のみぞ知るといった世界まで今日では科学のメスが入れられている。それでは、天文学や物理学は宗教的な側面をすべて消し去るほどに宇宙の事実を明らかにしたであろうか。また明らかにできるであろうか。天文学上の数多くの個々の問題はもとより、ビッグ・バン以前の宇宙について、あるいはブラック・ホールの中の状況について、宇宙の終わりについて、などという問題に答えが出せるであろうか。もし出せたとしても、それですべての問題が解決されたことになるのであろうか。技術的に考えても宇宙の全体像を明らかにするには、宇宙に存在する全原子数より多い計算機の記憶素子を使っても計算するのは不可能かもしれない。天文学は宇宙のどこかに生命体が存在する可能性の強いことを示し始めている。何十万光年のかなたに人類のような存在があるとなったとき、わたしたちは新しい宇宙像をどのように描けばよいのであろうか。宇宙の理解という意味で天文学は宗教や哲学とふたたび密接な関係をもち始めた時代ではないだろうか。

［磯部琇三　2015年5月19日］

現代天文学の動向とその将来

天文学はその手法の根底がそうであるように、より多くのデータの集積が重要である。星や銀河やクエーサーが刻々と各波長域での強度を変化させていることが判明してきた現在、必要なデータ量は膨大なものとなっている。そのため、より多くの望遠鏡で、精度の高い、能率よい観測は不可欠のものとなっている。多数の天体のなかから特徴ある天体現象をみつけるためにはアマチュア天文家による観測もますます必要である。

　一方、種々の天体の詳しい研究は一段と進んでいる。電波やX線などによる観測が始まったころは、その波長で天空を観測したというだけで天文学的な大きな発見がなされた。しかし1980年代に入ってそのような時代も終わろうとしている。より暗い、より強度の弱い天体の観測が重要になってきた。電波望遠鏡では長野県野辺山(のべやま)宇宙電波観測所の45メートル、ドイツ、エッフェルスベルグの100メートルという大口径のものが建設されている。さらに角分解能をあげるためにアメリカ、ニュー・メキシコ州の大口径開口合成電波望遠鏡をはじめとする多くの干渉計により、地上での可視光の限界を超える観測がなされている。1997年（平成9）には日本の人工衛星「はるか」が打ち上げられ、人工衛星上のパラボラアンテナと地球上の電波望遠鏡の連携によって形成された巨大な干渉計による観測も始まっている。X線においても大口径・高角分解能のアインシュタイン衛星が、大半の星の周りにコロナが存在することなど新しい発見をしている。

　電波やX線を放射する天体は一般に可視光では暗く、その観測のために超大口径の望遠鏡の建設が必要となっている。1948年パロマ山天文台の508センチメートル望遠鏡以後、しばらく下火にみえた大口径望遠鏡の建設も、1990年代には、日本をはじめ、アメリカ、ロシアなどで従来のものを大きく上回る規模で建設され、日本がハワイに設置した8.2メートル望遠鏡をはじめ、9台の大口径望遠鏡が次々と完成している。

　これらの大装置の完成によって、大きな天文学的な発見がなされ始めていることは確かである。しかしガリレイが自分自身の資金と能力をもって製作した望遠鏡と異なり、その建設には数百億円という巨大な費用が必要となっている。天文学のこのような側面は、昔のように1人の人間の趣味で行える範囲を大きく超えている。天文学は人類の宇宙に対する限りない知的興味を基盤に発展し、現在も重要な課題に取り組んでいる。宇宙の実相を一つ一つ解明していくことが人類にとってどのような意味をもつのか、ということを改めて考えなければならないほどに天文学が巨大化したことも事実である。

　現代の天文学の動向で重要な点の一つは、電磁波だけで観測するのではなく、現場において調べられるようになったことがある。人工探査機アポロによって月が調べられた。惑星探査機パイオニアやボイジャーによって木星をはじめとする惑星が探査された。これらは、調査しようとする天体の近傍に直接行って解析するものであり、非常に強力な手段である。この方法の問題点は、次々と探査機を送り続けることができないことと、この方法が使用できる範囲が現段階では、せいぜい太陽系内に限られていることである。

［磯部琇三　2015年5月19日］

天文学の歴史上の発見

天文学の発見の多くは長年のデータの積み重ねによって生まれる。ここでは、天文学の歴史上、重要な発見をあげておく。

　日月食の予報に関して、太陽と月とが19年間でほぼ同じ位置に戻るサロス周期は紀元前7世紀にみつけられている。紀元前150年ごろにはヒッパルコスが約1000個もの星の位置のカタログをつくり、その結果、星々が歳差運動をしていることを示した。1543年のコペルニクスの地動説はそれまでの天動説を覆すものとしてよく知られるが、1596年にファブリキウスがくじら座ο(オミクロン)星（ミラ）の変光を発見したことは、それまで不変であると考えられていた恒星に対する考え方を大きく変えるものであった。ガリレイは望遠鏡によって太陽黒点、木星の四大衛星、土星の耳（環(わ)）などをみつけたが、1610年にファブリキウスは太陽が自転していることを認識している。

　1672年にカッシーニによって太陽視差が測られ、ケプラーの法則と組み合わせることにより、太陽系の惑星の分布が決められるようになった。そしてニュートンの万有引力の法則によって各天体の相互の位置が正確に予報できるようになり、それが、1675年の木星の衛星の食を使った光速度の決定へと続いた。

　1781年のF・W・ハーシェルの天王星の発見、1801年のピアッツィによる小惑星ケレスの発見、1846年のアダムスの海王星の発見というように、太陽系天体の解析が次々と行われ、天体力学の有効性が明らかになった。

　一方、恒星界についても、1718年にハリーによって恒星の固有運動がみいだされ、明るさの変化ばかりでなく空間的にも動いていることが明らかになり、太陽系自身も恒星の間を動いていることが知られた。キリスト教総本山のバチカン天文台のセッキは1866年に恒星のスペクトル分類を行い、HR図をつくるうえでの基礎的データを得ている。1868年にハギンズは恒星の視線速度の測定に成功し、恒星の三次元空間での動きが求められるようになった。地球が太陽の周りを回っているように星どうしが回り合う連星は1802年にF・W・ハーシェルが発見しているが、これはのちに連星の周期などを使ってそれぞれの星の質量を求める可能性を開き、1920年にはピースFrancis Gladhelm Pease（1881―1938）が干渉計により恒星の直径を測り、恒星自体の性質も明らかになった。

　1908年のリービットによるセファイド（ケフェウス）型変光星の周期‐光度関係の発見は、アンドロメダ銀河が銀河系内の天体ではなく、約200万光年もの距離にある銀河の一つであることを明らかにすることになった。1927年オールトらは銀河系が秒速250キロメートルもの高速で回転していることをみつけ、銀河系内にも多様な天体があることがわかってきた。1925年エディントンは白色矮星という高密度の天体の存在を示し、それが1970年代のX線観測での中性子星、ブラック・ホール発見への足掛りとなった。1939年ごろワイツゼッカーとベーテは太陽の熱源が原子核融合反応によっていることを示し、星の進化のようすも明らかにされた。

　1929年ハッブルは銀河の速度―距離関係を求め、宇宙は膨張していることを示し、この発見がビッグ・バン宇宙へと連なった。1963年に最初のものが発見されたクエーサーは光速に近い速さで遠ざかる天体で、宇宙の古い姿を見ていることになる。そして1965年にペンジアスらがみつけた3K放射は、ビッグ・バンの10万年後、宇宙が透明になったころに放射された電磁波の名残(なごり)のものであった。

　このように天文学では次々と新しい発見が続いているが、それらはいずれも長年月のデータの積み重ねのうえになされたものである。現在もよりよいデータの蓄積は続いており、それらに基づく次の発見が期待される。

［磯部琇三　2015年5月19日］

『『現代天文学講座』15巻・別巻1巻（1979～1983・恒星社）』▽『広瀬秀雄著『天文学史の試み』（1981・誠文堂新光社）』▽『二見靖彦著『中性子星の世界』（1982・サイエンス社）』▽『P・C・W・デイヴィス著、戸田盛和訳『宇宙はなぜあるのか』（1985・岩波書店）』▽『磯部琇三著『宇宙のしくみ』（1993・日本実業出版社）』