きらきら輝く小さな星、空は「小さな」星でいっぱいです

「きらきら光る小さな星、空は小さな星でいっぱいです。」夜空には肉眼で約6,000個の星が見えます。そのほとんどは太陽のように自ら光を発することができる星です。 （惑星は光を発しておらず、星の光を反射することによってのみ私たちに見える惑星もあります。）今日は、満天の星空のお話をしましょう。

輝く天の川（天文学愛好家の黄丹丹氏撮影）

【星で構成された「星座」は占いには使われません】

太陽の他に、どんな星の名前を挙げることができますか?シリウス？ベテルギウス？フォーマルハウト？より専門的な天文観測者は、シリウスはおおいぬ座にあり、ベテルギウスは7つの白虎座の1つであり、フォーマルハウトはみなみの魚座にあるとも言うでしょう... 星と星座の関係は何でしょうか? （「星占い」や「星占いマッチング」が夕食後の会話の話題になるだけなのに、「星占い」は本当に真面目な概念です！）

人々は空の星の「座席」を配置するために、明るい星を架空の線で結んでさまざまな形を作り、星空を人工的にいくつかの領域に分割しました。これらの形状は、それらが位置する天の領域とともに、中国では「星官」、西洋では「星座」と呼ばれています。

古代中国では、星空は三囲（紫印、大印、天印）、四星（東の青龍、西の白虎、南の朱雀、北の玄武）、二十八宿に分けられ、合計283の星座がありました。 1928 年、国際天文学連合 (IAU) は、西洋の星座に基づいて 88 個の星座を特定しました。そのうち 13 個は黄道上にあります。黄道とは、地球から見て太陽が1年に1回天空を一周する軌道を指します。これは地球が太陽の周りを公転することによる影響です[1]。よく知られている「黄道十二星座」と同じ名前の星座の他に、太陽が黄道上を通過するもうひとつの星座が、地球から見て蠍座と射手座の北に位置するへびつかい座です。

もともと、人々は星座を使って時間を測っていました。古代バビロニア人は黄道を 12 の均等な区間 (12 の星座に対応) に分割し、太陽は各区間に 1 か月間留まりました。古代エジプト人は、東の地平線にシリウスが現れるのを基準にナイル川の洪水を予言した。古代中国では、『合管子』に、東、南、西、北を指す北斗七星の柄と春、夏、秋、冬が一対一で対応していることが記録されており、当時の農業生産を効果的に導いていました。

その後、人々は星座の航海機能を発見しました。 「夜に北斗七星を見て南北を知る」とは、北斗七星を通して北極星を見つけ、方向を特定できることを意味します（図 2 を参照）。 15 世紀から 17 世紀にかけて、世界中に広がったヨーロッパの艦隊は、初期の資本主義を発展させながら海運産業を発展させました。広大な海には基準となる点がなかったが、空の星座は形が独特であるだけでなく観察しやすく、当時の艦隊の航海に非常に適していた。

【豆知識】古代バビロニア人が黄道帯を分けた方法が、現在人気の星座日付表の起源です。しかし、現在の星座区分基準では、星座の大きさは大きく異なり、太陽が各星座に留まる時間も一定ではありません。最も小さい蠍座では 7 日間しか留まりませんが、最も大きい乙女座では 44 日と 8 時間留まります。したがって、皆さんがよく知っている「星座」は、天文学における星座と同じではありません。

図2 北斗七星と北極星（模式図）

西の星座では、北極星と北斗七星はそれぞれこぐま座とおおぐま座にあります。地球の自転軸は基本的に北極星を指しているため、天体は視覚的に北極星の周りを 1 日に 1 回回転します。北斗七星の口の部分にある二つの星を結ぶ線を5倍に伸ばすと、その線が指す星は常に北極星になります。北斗七星が地平線の下にあるときは、カシオペア座の 5 つの W 字型の星を使って北極星を見つけることができます。

鄭和は艦隊を率いて西海に7回進出し、「星引き術」を用いて極めて困難で複雑な航海を成し遂げ、世界の航海史上に奇跡を起こした。 「渡洋星図」に記された「東西の区別は太陽と月の出入りだけ、距離は星の高さで測る」などの技術は、太陽と月と星を使って船の地理的位置と航行方向を決定するものです。関係する原理には、「地球は西から東へ回転し、太陽と月は東から昇り西に沈む」や「北極星の高さは地元の緯度に等しい」など、星空のその他の謎が含まれます。

[10万年前、北斗七星はこのように見えませんでした]

視覚投影効果により、星座の鮮やかな模様を構成する星々は同一平面上にあるように見えますが、実際には私たちからの距離は大きく異なる場合があります。したがって、同じ星座の星々の間には物理的な相互作用はほとんどないと考えられます。引き続き北斗七星を例にとると、7つの星のうち、姚光と天珠は地球からそれぞれ101光年と124光年離れており（図3参照）、他の5つの星よりも20～40光年遠く離れています。それらが発する光が地球に届くまでには100年以上かかります。

図3 北斗七星と地球の距離[3]（模式図）

太陽系に最も近い恒星は、地球から約 4.2 光年離れた、アルファ ケンタウリ三重星系に属するプロキシマ ケンタウリです。アルファケンタウリ三位一体系は、劉慈欣が描写したトリソラランが生存のために依存している「太陽系」であり、SF映画『流転地球』における地球人類の最​​終移住先でもある。

星は空に静止しているわけではありません。彼らは非常に高速で移動します。例えば、太陽は毎秒238キロメートルの速度で天の川銀河の中心を周回しており[4]、約2億5000万年かけて天の川銀河の中心の周りを一周します。地球の自転と公転の速度を加えると、「地面に座ったまま 1 日に 80,000 マイル移動する」ことは理解しにくいことではありません。

星はそんなに速く動いているのに、なぜ私たちには止まっているように見えるのでしょうか?主な理由は、ほとんどの星が私たちから遠すぎるからです。宇宙を一周するのに何百年もかかるため、その位置の変化を検知するのは困難です。しかし、長い期間の蓄積を経て、その位置の変化はより顕著になるでしょう。例えば、10 万年前と 10 万年後では、北斗七星の形状は「ワインをすくうボウルの形」ではありませんでした(図 4 を参照)。

図4 北斗七星の異なる時期の形状の模式図（画像はウェブサイト[5]より、著者が改変）

【星の世界では太陽はただの弟】

私たちが地球上で見る太陽は、空で最も大きくて明るい天体です。実際のところ、それは星の世界では単なる弟に過ぎません。太陽よりも大きくて明るい星はたくさんあります。天の川銀河だけでも何千億もの星がありますが、それらは非常に遠くにあり、その光は非常に弱いため、人々はこれらの手の届かない星の性質についてほとんど知りません。天体物理学の誕生以来、特に19世紀以降、分光法、測光法、写真撮影法などの技術が天体の観測と研究に広く応用されたことにより、天体の構造、化学組成、物理的状態に対する人々の理解が徐々に明らかになってきています。

20世紀初頭、デンマークの天文学者ヘルツシュプルングとアメリカの天文学者ラッセルは、星が明るさ（つまり発光能力）と温度の2次元画像において非常に顕著な分布パターンを持っていることを発見しました。この図は、ヘルツシュプルング・ラッセル図、略して HR 図と呼ばれます。ヘルツシュプルング・ラッセル図は、星の大きさや質量、発光能力、古さ（進化の歴史）などの重要な特性など、星の「状態」を明確に反映することができます。これは天文学において最も重要な地図帳の一つです。

図5 ヘルツシュプルング・ラッセル図。横軸は表面温度または色、縦軸は輝度を表す（画像はウェブサイト[6]より、著者が改変）

図5に示すように、星は大まかに次の種類に分けられます。

主系列星:

ほとんどの（90%以上の）星は、左上から右下にかけての狭い帯状（主系列）に分布しています。このベルト内の星は主系列星と呼ばれ、水素とヘリウムの核融合段階にあります。星の温度が高いほど、その色は青くなり、発光能力は強くなります。逆に、色が赤くなるほど、発光能力は弱くなります。星はこの段階で最も安定し、最も長く存続します（生涯の 90% 以上をこの段階で過ごします）。

白色矮星: 左下の密度の高い領域にある星は、高温で青白く、光度が非常に弱く、サイズが小さいため、白色矮星と呼ばれます。この領域は、低質量の星が死んだ後に「行く先」となる場所です。

巨星と超巨星: 主系列の右側の密度の高い領域にある星は、明るさは比較的高いが、温度は低くなります。星の中心部の水素元素が燃え尽き、より重い元素の核融合が点火されると、星は「太り始め」、この領域に入るため、巨星と呼ばれます。その左上にある星は超巨星と呼ばれます。

ハーバード天文台は星の色に基づいて、星を O、B、A、F、G、K、M の 7 つのタイプに分類しています。各タイプは 10 のサブタイプに分類でき、これがハーバード分類です。星の色は星の表面の実効温度に関係するため、図 5 (横軸) に示すように、実効温度の降順で分類します。たとえば、太陽は G 型の星で黄色ですが、ベガとシリウスは A 型の星で青白色です。恒星は、その発光能力に応じて、超巨星（タイプI）、明るい巨星（タイプII）、巨星（タイプIII）、準巨星（タイプIV）、矮星（タイプV）、準矮星（タイプVI）、白色矮星（VII）の7つのタイプに分類されます。ここで、巨星と矮星はその明るさを指します。明るさが高いものは巨星であり、明るさが低いものは矮星です。ハーバード分類は色や温度に基づく単変量分類であり、2 次元のヘルツシュプルング・ラッセル図における星の位置を決定するのには適していません。

この目的のために、1940 年代にアメリカの天文学者モーガン (W. モーガン) とキーナン (P. キーナン) は、温度と光度に基づいた 2 元分類システム (MK 分類システム) を提案しました。このシステムにより、ヘルツシュプルング・ラッセル図で星の位置を正確に特定することができます。たとえば、太陽は G2V 型です。

太陽は典型的な矮星です。宇宙には太陽よりも何億倍も大きい、あるいはそれ以上の大きさの星が存在します。たとえば、たて座UY星は、恒星の「薄明期」にある赤色超巨星です。最新の研究によると[7]、この星の半径は太陽の755倍（図6参照）、太陽4億3000万個に相当し、その光度は太陽の87,000倍です。地球から5,100光年離れているため、大きさは巨大ですが、地球から見ると小さな明るい点にすぎません。

図6 星の大きさの比較（模式図）。太陽とシリウスはともに矮星（シリウスの明るさは太陽の約 25 倍）ですが、ポルックスとアークトゥルスはともにオレンジ色の巨星、たて座 UY 星は赤色超巨星（明るさはそれぞれ太陽の約 40、170、87,000 倍）です。これらの巨大惑星の内核領域では、核融合によって水素元素が基本的に枯渇している（画像はウェブサイト[8]より、著者が改変）

天文学者は一般的に、見かけの等級を使って星の明るさを表します。等級値が小さいほど、星は明るくなります。星の見かけの等級は、主に3つの要因によって決まります。(1) 星自身の発光能力。これは主に星の質量によって決まります。 （２）星までの距離同じ発光能力を持つ星の場合、遠くにあるほど暗くなります。 （３）恒星と私たちの間に広がる星間物質屈折や散乱などの物理的プロセスにより、星間物質（塵など）はそこを通過する光波の青色成分を吸収し、赤くなったり弱くなったりするなどの効果を生み出し、星の色と明るさが変化します。さまざまな要素を考慮すると、夜空で最も明るい星はシリウス（最も明るい惑星は金星）であり、冬の夜空ではおおいぬ座（オリオン座の近く）ではっきりと見えます。

結論

この記事を読んだ後、私たちがよく知っている歌詞はこう変えた方が良いのでしょうか？ 「きらきら光る小さな星よ、空は小さな星でいっぱいです...」それでは質問です。空の星はどこから来るのでしょうか?次のエピソードをお楽しみに。