私たちは天の川の中にいるが、天の川の本当の姿を知っている

制作：中国科学普及協会

著者: 董志川 (中国科学院南京天文光学技術研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

「アルタイルは遠く、天の川は明るい。」 「天の川は澄んでいて浅いですが、どれくらい離れているのでしょうか？」

漢代の民謡「遥かなるアルタイル」では天の川の壮麗さが鮮やかに描かれています。

天の川は人類に多大なインスピレーションと不安を与えてきました。私たち人間は、この巨大な星の流れの渦の中にいるにもかかわらず、「視界を遮る雲を恐れることはない」ので、自分自身の知恵だけでそのパノラマ画像をつなぎ合わせようと努力することができます。これはなんと素晴らしい成果でしょう。

私たちは星空を横切るこの乳白色の明るい帯を理解しようと努めてきましたが、天の川に隠された星間の謎は一夜にして解明できるものではありません。少しだけ知りたい方も、全体像を理解したい方も、私たちが住んでいる天の川銀河について話しましょう。

地球から天の川を観察すると、なぜこのように見えるのでしょうか?

実際、天の川は一年中見ることができますが、最も明るく壮観な部分は夏と秋の変わり目に見られます。

私たちが見る天の川はなぜ帯状になっているのでしょうか?私たちは天の川の中にいるので、横からしか見ることができません。

銀河

(画像出典: Wikipedia)

地球は天の川銀河の中で太陽の周りを「回遊」しており、太陽は天の川銀河の中心の周りを公転しています（周期は約 2 億 2000 万年）。冬の間、地球は太陽の外側、つまり天の川の中心から離れた側に移動します。太陽側の星空は見えず、夜は天の川の端の星しか見えないので、天の川は薄暗いです。

夏には、地球は太陽の内側、つまり天の川の中心に近い側に移動します。天の川の最も密度の高い部分は夜空で見ることができます。複数の内部アームが重なり合うため、見やすくなり、明らかなバンド分布を観察しやすくなります。

毎年7月と8月は天気が晴れて涼しく、土壌の状態は良好です。この時期は、北半球の亜熱帯高気圧の影響で晴れの日が増え、視覚のコントラストが高まり、夜空の光が弱まります。そのため、7月と8月には天の川がより鮮明に見えるのです。

天の川全体を「見る」2つの方法

天の川銀河にいる私たちが、銀河銀河の渦巻きや棒、4本の渦巻き腕の構造をはっきりと見たい場合、銀河の円盤に対して垂直に上向きに飛ばなければならないのでしょうか？天の川全体を見るにはどれくらい遠くまで飛ばなければなりませんか？

簡単な計算をしてみましょう。人間の目の快適な視野は約124度です。天の川の直径が15万光年（最新データの平均値）であると仮定すると、三角関数に従って計算すると、天の川全体を肉眼で見る距離は39,900光年となり、これは私たちと天の川の中心との距離（26,000光年）よりも遠いことになります。

つまり、地球から出発した場合、天の川全体を視覚的に見ることができる場所に到達するには、光の速度で約 4 万年移動する必要があることになります。

現時点ではこの距離は手の届かないところにあります。では、人間には他に方法はあるのでしょうか?

持っている。

天の川を見るという目標を達成するためには、他に少なくとも 2 つの方法があります。一つの方法は「他人を鏡として使う」ことであり、もう一つの方法は「チューブを通してヒョウを見る」ことです。

「他人を鏡として使う」

「他の銀河を鏡として使う」とは、他の遠方の銀河（隣のアンドロメダ銀河など）を観察することで、私たちの天の川銀河がどのように見えるかを間接的に推測できることを意味します。

まるで、建物の外観が非常に一貫しているコミュニティに住んでいるかのようです。私たちは自分の家にいて外に出ることができず、ユニットビルの全体像を見ることはできませんが、他のユニットビルを観察することで、自分のユニットビルの全体的なスタイルを理解することができます。

人類が知っている銀河の中で、3億8000万光年離れた場所にあるUGC 12158は、見た目が私たちの天の川銀河と非常によく似ています。見た目が天の川銀河に最も似ている銀河だと考えられています。天の川銀河と同様に、4つまたは5つの渦巻き腕を持ち、やはり「棒渦巻き」銀河です。

UGC 12158銀河（左）と天の川銀河（右）の外観

(画像出典: Wikipedia)

しかし、この方法は、膨大なデータの中から天の川銀河に似た銀河をどのように選別するかという新たな課題にも直面しています。

手作業によるスクリーニングは非常に時間がかかり非効率的であるため、天文学者はこの問題を解決するために人工知能の力を活用し始めました。

研究チームは、欧州宇宙機関（ESA）のハーシェル宇宙望遠鏡が収集した10万個以上の銀河の画像をトレーニングデータとして使用し、さらに約2万個の銀河の画像で調整されたAIをテストした。結果は、人工知能の分類精度が90％以上に達したことを示しています。

天文学者らは、人工知能によって分類された銀河の画像を使用して、天の川銀河に最も類似した1,000個の銀河をさらに選別し、詳細な分析を行った。研究の結果、これらの銀河の 45% は「平坦」、12% は「湾曲」、43% は「歪んでいる」ことが判明しました。

この結果は、天の川銀河も「歪んだ」銀河である可能性が高いこと、つまり天の川銀河の円盤の両端が上向きと下向きに曲がって「S」字型になっていることを意味します。

驚くべきことに、この推測は偶然にも、以下の 2 番目の方法を使用して取得した天の川の写真と一致しています。

天の川銀河の円盤は「歪んでいる」

(画像出典: Wikipedia)

「チューブを通してヒョウを見る」

2つ目の方法は、私たち人間が生み出した「小さな部分から全体像を見る」技術、あるいは「盲人が象に触る」技術、つまり「ビッグデータ天体調査技術」です。

具体的には、この技術の応用は、LAMOST郭守景望遠鏡のような高効率の科学調査機器を使用して、天の川の画像をフレームごとに撮影し、膨大な量のデータを蓄積することで、天の川全体の微細構造情報を再構築して取得することに似ています。

この天の川の「肖像」の原理は非常に単純です。天文学者は、大型望遠鏡で「触れた」各星の位置、明るさ、スペクトルなどの情報を記録し、星の化学組成、分布、年齢、動きを取得します。そして、日々データが蓄積されていくことで、天の川の全体像を再構築し、その構造的特徴を当てはめることができるのです。

天の川銀河の一般的な構造

(画像出典: Wikipedia)

もちろん、これを最初にやった人について言及しなければなりません。彼は現代の天文学者ではなく、天文学の歴史における先駆者、つまり200年前の有名なウィリアム・ハーシェル卿です（上記のハーシェル宇宙望遠鏡は、彼の偉大な業績を記念して彼の名前が付けられています）。

ウィリアム・ハーシェル卿は恒星天文学の創始者として知られており、恒星天文学の父と称されています。世界的に有名な「キャノン」望遠鏡はハーシェルが近代天文学の先駆者となるのに貢献し、さらに彼は自宅の庭で（別の望遠鏡を使って）天王星を発見しました。

ウィリアム・ハーシェル卿

(画像出典: Wikipedia)

18世紀の伝説的なイギリスの天文学者は、長期にわたる粘り強い精密な観測の結果、星を数える観測法を適用して、天の川銀河の星の分布が平らな円盤構造であることを初めて発見しました。これを基に、彼は世界で初めて天の川銀河の概略モデルを作成した。この目的のために、彼はさらなる観察と検証のために南アフリカまで出向きました。

中国科学院国立天文台の「デジタル天の川」プロジェクトや、中国科学院紫金山天文台の「銀河巻」プロジェクトなど、多くの科学研究機関が同様のビッグデータ研究を開始している。

ビッグデータ天体調査の方法は、「盲人が象に触れて砂粒で塔を建てる」というアイデアであり、天の川の全体像を把握するための効果的な方法であるだけでなく、私たち人類が他の宇宙の大規模構造を探索するための唯一の選択肢でもあります。

過去10年ほどの間に、科学者たちはこの方法を使って多くの注目すべき発見をしてきました。例えば、中国の科学者はドイツの科学者と協力し、同様の方法を使って広大な宇宙における暗黒物質の超大規模ネットワーク構造を発見した。

別の科学者グループは、大量の銀河データのビッグデータ統計分析を通じて、「グレートアトラクター」の存在と、繊維/羽毛のように見え、5億2000万光年に及ぶラニアケア超銀河団の大規模な宇宙構造を発見しました。

ラニアケア超銀河団

(画像出典: Wikipedia)

結論

私たちは天の川の中にいますが、それでも天の川の本当の姿を認識することができます。宇宙の銀河は私たちから非常に遠く離れていますが、だからといって人間がそれを本当に理解できないというわけではありません。宇宙は魅力に満ちています。それは遠く離れているが、近づきやすく、人々を果てしない夢想で満たす...