天体観測の遺物丨ウィルソン山天文台：ハッブルとアインシュタインは英雄を称え、剣を空に向ける

序文

本日より、昨年放送した「異界を夢見る」に続く新シリーズ「空を観察するための道具」を開始します。 「夢見る異世界」は宇宙探査機に関するものですが、今回は地球に戻って地上の観測所の話をお話しします。地上にあるすべての天文台は、空を観測するための魔法の道具であると言えます。人類はこれらの遺物の助けを借りて、徐々に宇宙の謎を解き明かし、数え切れないほどの素晴らしい光景を見ることができるようになりました。

これらの天体観測機器が宇宙を見つめるにつれ、人類の宇宙に対する古い見方は絶えず更新され続けています。それぞれの天文台は人類文明の記念碑のようなもので、天の川の片隅にある青い惑星で、身長2メートルにも満たない二足歩行の動物たちが広大な宇宙を探検する物語を記録しています。

さっそく、話を始めましょう。

星空観測ツール01-山ウィルソン天文学

原作者：劉 陳

編集者：王傑

ハネムーンよりも大切なこと

1930 年 12 月のある日、ドイツのベルリンは真冬で、北風が吹き荒れていました。有名な物理学者アインシュタインは新婚でしたが、妻との甘い新婚旅行を楽しむ時間がありませんでした。彼はすぐにアメリカのカリフォルニアに行かなければなりませんでした。アインシュタインは新婚旅行でカリフォルニアには行かなかった。彼の考えでは、新婚旅行よりも優先すべきことがあった。

民間航空がまだ普及していなかった時代、ドイツからアメリカまで、そして世界を横断して旅行することは容易な旅ではありませんでした。アインシュタインは、アメリカ西海岸のカリフォルニアに到着するために、まずドイツからベルギーまで列車で行き、次にアントワープ港で船に乗り、大西洋を西に渡ってアメリカのニューヨークに向かいました。短期間滞在した後、アインシュタインは米国ニューヨークから船に乗り、東海岸に沿って南に進みパナマ運河に到着し、その後運河を渡って太平洋に至り、太平洋に沿って北上を続けました。彼がカリフォルニア州ロサンゼルスに到着するまでに1ヶ月かかりました。

これはアインシュタインにとって二度目のアメリカ訪問であり、アメリカ西海岸を訪れるのは初めてであった。彼はカリフォルニア工科大学から学術訪問の招待を受け、はるばるカリフォルニアまでやって来た。しかし、アインシュタインにとって、ある場所を訪れて誰かに会うという非常に重要な個人的な目的もありました。その場所はカリフォルニア州にあるウィルソン山天文台で、彼が訪問するのは伝説的なアメリカの天文学者エドウィン・パウエル・ハッブル（1889-1953）です。

ハッブルがウィルソン山天文台で行った発見は、アインシュタインの認識を刷新しただけでなく、宇宙に対する人類の理解も刷新した。ウィルソン山天文台もこの発見により人類の天文学の歴史に大きな貢献を果たしました。

1904年、太陽観測の父として知られるアメリカの天文学者ジョージ・エラリー・ヘイル（1868-1938）が、カリフォルニア州ロサンゼルスの北東にあるウィルソン山を訪れました。彼はこの貴重な場所に一目惚れした。なぜ？ウィルソン山が位置する地域の上空には、「逆転層」と呼ばれる比較的珍しい大気現象があるためです。通常、高度が上がるにつれて気温は下がりますが、複雑な理由により、場所によっては逆の現象が起こります。これが逆転層です。

逆転層の最大の利点の一つは、大気が非常に安定していることです。ウィルソン山は北米全土で最も大気が安定した地域のひとつで、特に天体観測に適しています。

ヘイルはこの宝の山を発見した後、すぐに当時世界で最も先進的だった天体望遠鏡の 1 つをヤーキス天文台から移しました。こうしてウィルソン山天文台が正式に設立されました。

天文台が設立された後、ヘイルは科学研究チームを率いて太陽の観測と研究を行った。ここで彼は、太陽黒点が太陽の強力な磁場の中心であることを実証した。これは人類が地球外の天体の磁場を検出した初めてのケースでもある。しかしすぐに、ヘイルは望遠鏡の口径が小さすぎると感じました。天文学者にとって、望遠鏡の口径の追求は終わりがなく、どれだけ大きくても十分ではありません。

画像: ハイアール

しかし、ハイアールは科学研究が優れているだけでなく、もう一つの才能も持っています。それは、スポンサーを集めるのが上手いということです。彼はすぐに地元の裕福な実業家を説得して天文台に寄付金を募った。 1908年、当時世界最大の天体望遠鏡がウィルソン山天文台に建設されました。

世界最先端の望遠鏡を備えたウィルソン山天文台が、一躍話題になっている。世界中から研究者が研究のためにここに来ます。その中には伝説の天文学者ハッブルもいます。

ハッブルは若い頃、ヤーキス天文台で研究を行っていた。ヘイルは望遠鏡をウィルソン山に移し、新しい大型望遠鏡を建設して以来、ウィルソン山を頻繁に訪れるようになった。ハッブルは無限のエネルギーを持った若者でした。彼はシカゴ大学で天文学と数学を専攻しただけでなく、ボクシングも大好きでした。彼は大学院を卒業したら、天文学か数学を選ぶこともできるし、プロボクサーになるという選択肢もある。幸運なことに（天文学愛好家としての私の観点からすると）、ハッブルは天文学の分野に専念しました。

当時の認識を覆した写真

ハッブルが天文学に専念し始めた頃、学界の主流の見解は、天の川が宇宙全体であり、宇宙の大きさは天の川の直径であり、すべての天体は天の川の中心に近いか、私たちの太陽系のように天の川の渦巻き腕に位置しているというものだった。

しかし、異なる声もいくつかあります。実際、17 世紀にはすでに天文学者たちが夜空に渦巻き状の星雲を発見していました。今日では、天文学愛好家なら誰でもこれらの星雲が実は銀河であることを知っていますが、初期の天文学者たちは、望遠鏡で見ると雪の結晶のように見えるこれらの星雲が銀河であるとは容易に想像できませんでした。天文学者が天の川銀河が螺旋状であることを発見した後、一部の人々は、それらの螺旋状星雲も天の川銀河のような銀河である可能性があるのではないかと考え始めました。

この見解が正しければ、私たちの宇宙は天の川だけではなく、天の川の外側にも銀河があるということになります。これは人類の宇宙観を覆す大事件となるでしょう。しかし問題は、驚くべき主張には驚くべき証拠が必要だということです。大胆な推測だけでは不十分です。科学的な結論には証拠が必要です。

歴史は、この問題を解決するという重要な任務をハッブルの手に委ねました。証拠を見つけるにはどうすればいいですか?この疑問はハッブルを悩ませた。

ハッブルが使用した方法はスペクトル分析でした。夜空のあらゆる明るい点は、格子装置によって分割された後、色とりどりのスペクトルを呈示します。ハッブルは各星雲から可能な限り多くのスペクトルを収集し、詳細な分析を行いました。彼は、アンドロメダ星雲のスペクトルが太陽のスペクトルと非常に似ており、恒星の特性を持っていることを発見しました。実は、1864年にイギリスの天文学者ウィリアム・ハギンズ卿（1824-1910）がすでに同じ発見をしていましたが、当時の装置は比較的単純で、データも十分に確固たるものではありませんでした。今回、ヘール氏はハッブルのデータを確認し、アンドロメダ星雲が無数の輝く星で構成されていることを確信しました。ハッブル宇宙望遠鏡はウィルソン山天文台の超望遠鏡を使ってアンドロメダ星雲の写真も撮影した。

当時、世界最大の望遠鏡は完成していたが、問題は解決されていなかった。アンドロメダ星雲が星で構成されていることを証明しても、それが天の川銀河の外にある別の銀河であることは証明されません。天の川にはすでに多数の星団が含まれているため、星団の発見は特に重要な発見ではありません。ハッブルにとって、アンドロメダ星雲までの距離を測ることが重要でした。しかし、当時の状況を考えると、夜空のかすかな光点が地球からどれだけ離れているかを判断することは、ほとんど解決不可能な問題でした。

この問題を解決する唯一の有望な方法は、より大きな望遠鏡を建造することであり、大きければ大きいほど良い。

そこでハイアールは再び行動を起こし、スポンサー獲得の才能が再び発揮された。彼は、有名な慈善家であり、鉄鋼王であり、当時世界で2番目に裕福な人物であったアンドリュー・カーネギー（1835-1919）をウィルソン山天文台に招待し、素晴らしい科学講義を行った。ついにカーネギーは興奮し、当時としては天文学的な金額であった1,000万ドルを寄付することに快く同意しました。

図：カーネギー（左）とヘイル

ポピュラーサイエンスは、科学研究において重要な役割を果たすことがあります。これが、米国のすべての科学研究機関がポピュラーサイエンスを非常に重視している理由です。ポピュラーサイエンスを通じて資金を調達できるからです。

同じように、お金があれば、多くのことが簡単になります。 1917年11月1日、世界最大の望遠鏡が完成しました。

イギリスの詩人アルフレッド・ノイズ（1880-1958）は後に、この瞬間を記念して叙事詩『天空の監視者』の中で次のように書いています。

...空の探検家、科学の先駆者、

再び闇を襲う準備をしよう、

そして新しい世界を勝ち取る。

「… 空の探検家、科学の先駆者、

今再びその闇を攻撃する準備が整いました、

そして新たな世界を勝ち取るのです。」

この望遠鏡は後に世界中で有名になったフッカー望遠鏡でした。

ハッブルの法則 これによってハッブルはさらに強力になり、ついにアンドロメダ星雲までの距離を割り出す方法を発見しました。

夜空には「セフェイド変光星」と呼ばれる、明るさが周期的に変化する変光星があります。セフェイド変光星の絶対的な明るさと明るさの変化周期の間には一定の関係があり、このタイプの星は宇宙の「標準光源」になり得ることを意味します。光の明るさは距離の二乗に反比例します。光源の絶対的な明るさがわかっている場合、見かけの明るさを測定することは距離を測定することと同じです。

図: ハッブルの観測記録

ハッブルはスーパーフッカー望遠鏡を使ってアンドロメダ星雲の写真を大量に撮影し、その中から34個のケフェイド変光星を発見した。その後、彼は 2 年以上をかけて、これらのセファイド変光星の光度変化周期曲線を根気よくプロットし、これらのセファイド変光星の絶対的な明るさを計算しました。望遠鏡で見た見かけの明るさに基づいて、これらのセフェイド変光星までの距離を計算することができます。彼の計算によれば、アンドロメダ星雲は私たちから約 93 万光年の距離にあり (現在では彼がその距離を大幅に過小評価していたことが分かっています)、天の川の直径をはるかに超えています。アンドロメダ星雲は明らかに私たちの天の川銀河の一部ではありません。

1925年、ハッブルはアメリカの天文学界の会議でこの結果を発表し、大きなセンセーションを巻き起こした。ハッブルのデータは非常に確実で証拠も十分だったため、すぐに認識されました。彼はほぼ独力で人類の宇宙に対する理解を広げました。

当時、ハッブル宇宙望遠鏡とウィルソン山天文台は非常に有名で、天文学研究のリーダー的存在でした。ハッブルは研究をやめなかった。彼はフッカー望遠鏡を遠くの銀河に向け続け、さらに驚くべき宇宙の謎が彼によって発見されようとしていた。

ハッブル宇宙望遠鏡は継続的な追跡観測と計算の結果、アンドロメダ銀河を除くほぼすべての銀河が私たちから遠ざかっていることを発見しました。この現象は銀河の後退と呼ばれます。ハッブルは、すべての銀河の後退速度を計算してまとめた後、銀河の後退速度とその距離の比率は一定であると結論付けました。つまり、銀河は私たちから遠ざかっており、私たちから遠くなるほど、遠ざかる速度も速くなります。これは有名なハッブルの法則です。

英雄は英雄を高く評価する

宇宙の膨張以上に合理的な説明は実際には存在しません。ハッブルの結論が発表されると、まるでスズメバチの巣をかき回すような衝撃が起こり、天文学界全体が激怒した。今日、宇宙膨張の理論が科学界によって認められていることは誰もが知っています。しかし当時、宇宙が膨張しているという考えは、まったく驚くべきものでした。地球の反対側にいたアインシュタインも、このニュースを聞いて非常にショックを受けました。彼はじっとしていられず、ハッブルを訪問するためにアメリカに行くことを主張した。

アインシュタインがショックを受けたのは当然だった。アインシュタインが一般相対性理論を提唱した1916年には、一般相対性理論の方程式から、宇宙は膨張または収縮する動的現象であるという帰結が導かれることを発見しましたが、問題は、この帰結がアインシュタインの直感に反していたことです。直感と単純な宇宙観により、アインシュタインは宇宙は安定した状態にあり、大きさが変動することはない、と固く信じるようになりました。彼は自分の計算式には何かが欠けているに違いないと信じていた。そこで、彼は熟考の末、宇宙の定常状態を維持するために「宇宙定数」と呼ばれる定数を一般相対性理論の方程式に加えました。

実はハッブルは、宇宙が定常状態ではなく、膨張していることを発見したのです。このことはアインシュタインに大きな衝撃を与え、彼はそれを検証するためにハッブルを直接訪問しなければなりませんでした。

1931 年 1 月 29 日の朝、カリフォルニアからの暖かい海風が冬の寒さを吹き飛ばし、ハッブルと妻は予定通りウィルソン山天文台を訪問するアインシュタインを迎えに車で向かいました。途中で、アインシュタインはハッブルの妻に心の底からこう言った。「あなたの夫の仕事は実に素晴らしいです。」天文台では、アインシュタインはまるで子供のように、巨大な望遠鏡を置くことができず、立ち去ることをためらっていました。

スタッフがアインシュタインに望遠鏡を紹介したとき、アインシュタインはハッブルを見て微笑み、皆にこう言った。「ハッブルはこの望遠鏡で私の予言を裏付けました。」

アインシュタインが受け入れて認めたこの理論により、ウィルソン山天文台とハッブルは有名になりました。ハッブルはノーベル賞を除く科学分野の主要な賞のほとんどすべてを獲得しました。なぜなら、ハッブルの時代には天文学の分野でノーベル賞が授与される前例がなく、当時の科学界は物理学と天文学を同じ科学研究分野とはみなしていなかったからです。そうでなければ、ハッブルがノーベル物理学賞を受賞するのは当然のことだっただろう。

終わり

ウィルソン山天文台におけるハッブルの業績は、人類の宇宙理解の歴史的過程において記念碑的な意義を持っています。これらの功績により、ハッブル宇宙望遠鏡とウィルソン山天文台は天文学の歴史に永遠に刻まれました。ハッブルが人類のために宇宙を照らす明るい光を開き、人類が宇宙を正しい方向に探究するように導いたとすれば、ウィルソン山天文台はその道しるべです。

（写真：ハッブルを見つけましたか？）

ウィルソン山天文台は建設以来、世界で最も先進的な天体望遠鏡を備えています。 1969年、ウィルソン山天文台とパロマー天文台が合併し、彼を記念してヘール天文台が設立されました。 1986 年、ウィルソン山天文台のフッカー望遠鏡は歴史的な使命を終え、正式に廃止されました。

1992年、技術の進歩により、ウィルソン山天文台の望遠鏡に補償光学システムが設置され、この功労者の生命力が回復し、再び使用できるようになりました。その後の数年間、この望遠鏡は世界中の天文学者にとって宇宙を探索するための重要なツールであり続けました。

今日に至るまで、ウィルソン山天文台はよく知られた天文学上のランドマークであり、毎年何万人もの観光客がこの天文台を訪れ、まるで巡礼のように人類の宇宙観を変えるきっかけとなってきました。

人間が尋ねることができる究極の質問は、おそらく「宇宙とはいったい何なのか？」ということだと思います。これより大きな問題はありません。規模の点では、人間と宇宙の違いを説明する形容詞はまったく存在しません。しかし、宇宙から見ればとても小さな人間が、宇宙の全体像を覗き見る方法を見つけられるというのは、本当に驚くべきことです。

ハッブルがウィルソン山天文台に残した伝説的な物語は、人類文明が宇宙の全体像を理解し始めた始まりを示しています。彼は、科学が証拠をもって語るということを私たちに深く認識させてくれました。証拠を前にして、アインシュタインのような偉大な科学者でさえも敗北を認めざるを得なかった。証拠はすべての答えの前提条件です。