[SF]

近傍恒星に関する基本情報 / 2003-11-07 (金)

はじめに

適当な天文学の本を開けば、太陽系のお隣がケンタウルス座アルファ星だということはすぐに解ります。しかしながら、そのまたお隣は、となるとどうでしょう?
遙かに遠い超巨星や星雲、銀河などの情報が色々あるのに、近くにある(ハズの)星に関する情報が見つからない。地球上でたとえるなら、世界各国の首都の名前や特徴はわかるのに、日本国内の主要都市の特徴どころか名前はもちろん存在するのかどうかさえ解らない状況です。
灯台もと暗し、太陽系のご近所は素人には未知の世界なのです。
地球から宇宙を眺める分には近かろうが遠かろうが関係ないわけで、現時点あるいは近い将来、実際にそこへ行くということが出来ない以上、当然といえば当然かもしれません。(学術的には、近傍恒星の情報は基礎情報として極めて重要です) しかしながら、空想の世界で星々の海を渡るとなると、(一足飛びに遙か銀河の彼方へ行くのでない限り)最初の目的地そしてその先への通過点として無視することは出来ないはずです。

そんな次第で、太陽系近傍恒星という近くて遠い世界について簡単にまとめてみました。

実はこの分野、「光世紀の世界」(石原藤夫)という金字塔があります。
太陽系を中心とした直径1光世紀(100光年)の球状空間に含まれる恒星の詳細なデータ集です。私自身はリアルタイムで出会い損ねた為にえらく遠回りをする結果となりましたが、現在は簡易版が入手可能となっています。
同書を入手すれば万事OK、このページを参照する必要はありません。
まあ、当ページは備忘録ですし、Web上には意外に情報が無いようですので、その意味では存在意義はあるのではないかと思っています。

蛇足ながら…学術的な目的でこのサイトを参照する奇特な方もいないとは思いますが、念のために述べますと、当ページ群の内容はSFで利用(読んだり設定したり書いたり…)することに重きを置いて記述しています。例えば、データの誤差が大きい場合も「それらしい」値にまるめる等、学術的な厳密さよりも取り扱いの便利さを選んでいます。この点を念頭に置いて、以降の内容を参照していただけると幸いです。


基礎知識

名前

星名(恒星の名前)というのは意外と盲点ではないでしょうか?

天文学の本を開けば、いろいろな星の名前が出てきます。メジャーなところでは、シリウス、プロキオン、ベガ、アルタイルなど、多少マイナーなところでは、プロキシマ、バーナード星などでしょうか。
SFの立場からすると、ある意味やっかいなのは、それら固有の名前を持つ星のほとんどが、物理的に特殊(それはそれで舞台としてはおもしろいですが)か、単に地球上から見た際に目立つ星にすぎないということです。特に後者は、近距離にあるために目立つ場合と、遠距離にあるにもかかわらず極端に明るいために目立っている場合があります。 遠距離に存在するにもかかわらず目立つ星というのは、極端に明るいという意味で(太陽と比較して)物理的に特殊な星といえます。先にメジャーな名前としてあげた星々はいずれも比較的近距離にある星です。(ですから、著名であるにもかかわらず、例に挙げなかった星がたくさんあるのです)

では、太陽系のご近所の星はみな固有の名前を持っているのか?

答えはNoです。
近距離にある星のほとんどは、地球から見た際に目立つ星ではありません。 詳しくは「恒星の名前」で述べますが、太陽系近傍の星のほとんどは番号だけの名無しの星なのです。

まあ、悪いことではないのかもしれません。それら名無しの星に自由に名前を付けて物語世界を構築できるわけですから。

相対距離

星までの距離を測る方法は原理的には非常にシンプルな「距離の分かっている二点からの対象物の見える方向の違いから対象物までの距離を導き出す」という三角法であり、それ故に古くから試みられてきました。 現在では距離測定に多くの手段がありますが、その基礎を成している(基礎資料を形作っている)のは、やはり古典的な手法、三角法なのです。

ところが、古くから試みられている方法ですが、星の場合、見える方向の違いというものが見つかりませんでした。
天動説支持者は、これをもって地動説否定の論拠の一つとしました。 一方、地動説支持者は、違いが分からないほど星は遠いのだと主張しました。 結局、地動説支持者の意見が正しく、星が極めて遠いことがわかるのですが、具体的にどれほど遠いのか、となると…。

マイルストーン

天の無数の星の中で、どれが近い星なのか?
ドイツの天文学者ベッセルは、星の固有運動に注目しました。 空間を同じ速度で動いていても、見た目上、近くの星の方が大きく動いているように見えます。無論、どの星も同じ速度で動いているわけではないでしょうが、それでも固有運動が大きなものは近くにある可能性が高いと推測し、一つの固有運動の大きな目立たない星、白鳥座61番星に注目しました。 推測は的中しました。その星は太陽系に極めて近かったのです。 かくて、1838年、人類史上初めて恒星までの相対距離が観測されました。
一つ分かれば、あとは地道な作業です。
観測技術に磨きをかけ、星々の距離が測定されていきました。 南半球で観測されるケンタウルス座のα星が非常に近いことが判明(実際の観測では、はくちょう座61番星の視差測定に先立つ1833年にスコットランドの天文学者のヘンダーソンが視差を測定していますが、発表が1839年であった上に観測精度が良くなかったため距離測定一番手の栄誉を逃したそうです)、その脇に観測された暗い恒星(ケンタウルス座α星C)が最近距離星であることがわかり、プロキシマ(「近い」を意味する)の名を与えられました。

絶対距離

星までの距離を相対距離と記しました。 それは、年周視差によってわかるのはあくまで太陽-地球間の距離との比率だけだからです。 絶対的な距離は、太陽-地球間の距離が判明する時を待たねばなりませんでした。

スケール比較

恒星の距離を表記する際に光年やパーセクを単位とします。恒星間スケールの距離比較には便利ではありますが、恒星間スケール自体がどれほど遠大なものかを感覚的につかみにくいという問題と表裏一体です。私達の生活における距離スケールとの隔絶は言わずもがな、太陽系レベルでの宇宙空間の距離スケールとの隔絶も意外に解っていないような気がします。そこで今更ながら、縮尺を調整して距離スケールの感覚を再確認してみます。

地球を直径1mmの球(というか粒ですね)とします。この縮尺で太陽は11.7mの距離にある直径約11cmの球で、太陽系最外縁の冥王星は460mほど離れていることになります。
そして恒星ですが、再近傍星のケンタウルス座アルファ星は3180kmの距離にあることになります。

もう少し縮尺を変えてみます。冥王星の軌道半径を1mmとした場合、太陽-ケンタウルス座アルファ星間の距離は約6.9mとなります。

以上の対比だけでも、恒星がいかに遠いか、そして恒星間空間がいかに空虚であるかが解ります。

赤経・赤緯と銀経・銀緯

恒星の位置を示す、おそらく一般的に最初に出会うであろう座標は「赤道座標」でしょう。地球の自転を基準とした座標系で、赤経(東西方向を24時間換算の角度で表す)、赤緯(南北方向を+90°から-90°の角度で表す)で表記します。地球上から天体を観測する上で赤道座標は非常に便利な座標系ですが、地球中心的な座標系とも言えます。

赤道座標と比較すると一般的とは言えないものの、同様な座標系に「銀河座標」があります。銀河系内の天体の分布などを表すときに用いられるもので、ほぼ天の川に沿った「銀河面」と呼ばれる基準面をもとに銀経、銀緯で表記します。座標系の原点が地球(厳密には不正確な表現ですが)であるという点では地球中心的な座標系ですが、銀河面という基準面を採用していることから、比較的脱地球的、脱太陽系的な座標系と言えるでしょう。(基準「面」は地球の赤道面とも太陽系の各惑星の公転軌道面とも外れていますので)

しかしながら、こういった極座標は基準点(この場合は地球あるいは太陽系)からみた特定の恒星の位置を把握するには便利ですが、個々の恒星の相対的な位置を把握するには不便です(例えば地球から見たA星の位置とB星の位置は把握しやすいがA星から見たB星の位置となると…)。

宇宙空間における相対的な位置を把握するにはデカルト座標(直交座標あるいはXYZ座標)の方が便利と言えます。学術的にはともかく、SF的には(銀河系中心のブラックホールのような特別な天体を原点とする直交座標系のほうが)空間的なイメージを把握しやすく、雰囲気的にも「らしい」感じになるのではないかと思います。 蛇足になりますが、恒星の集団あるいはグループを表す目的で星座名を持ち出している場合(○○座宙域、など)がありますが、これは極座標的(しかも方向のみで距離を考慮しない)な視点であり、洗練されているとは言い難いように思われます。

星の固有運動と空間速度

恒星というのはその名前に反して不動のものではありません。
人工衛星のように空を見上げればすぐに動いていることがはっきり分かるというレベルではありませんが、100年単位で見ると動きが明らかになる程度には動いているのです。
固有運動はあくまで地球上から見た際の見かけ上の運動、天球上の動きです。それ故に固有運動を示す単位は角度となります。 この星達の動きは、実は完全にランダムなものではなく、偏りがあります。天球上の一点、具体的にはヘラクレス座の一角に向かうという方向性があります。この点を「太陽向点」と言います。

太陽(および近傍の恒星)は銀河系中心から3万光年ほどの距離にあり、「公転」しています。 この公転運動で太陽(および近傍の恒星)が向かっている方向が「太陽向点」なのです。 「タイムスケープ」(グレゴリイ・ベンフォード)中の言葉を借りるなら、「未来の太陽の方向」という事になります。

閑話休題。
見かけ上の動き「固有運動」に対して、空間上の(相対的な)動きを空間速度と言います。
星の固有運動は、この速度(速さと方向)と距離によって変動します。
近付くにつれ固有運動は大きくなり、離れるにつれ固有運動は小さくなります。(空間速度が正の値で固有運動が変動しないってのはやばいですね。衝突コースってことですから)

恒星の分類

恒星はその物理的な性質によって分類することが可能です。 この種の分類方法で有名なものがMK分類と呼ばれるものです。 1943年に、モルガン(W.W.Morgan)、キーナン(P.C.Keenan)、ケルマン(E.Kellman)によって確立された分類方法で、スペクトル型(恒星の温度)と光度階級(絶対等級…星の明るさ・大きさ)の二つの指標で分類されます。

光度階級
光度階級 星の種類
I 超巨星
II 明るい巨星
III 普通の巨星
IV 準巨星(巨星と主系列星の中間)
V 主系列星(矮星)

光度階級は絶対等級の明るいものから暗いものへ(ローマ数字の1から5にあたる)I~Vの5段階表記で、細分類として(明るい方から暗い方へ順番に)a、ab、bの添字が付けられます。

スペクトル型
スペクトル型 表面温度(K)
O 30000~50000
B 10000~30000
A 7500~10000 青白
F 6000~7500
G 5300~6000
K 4000~5300
M 3000~4000
L 1300~3000 暗赤
T 750~1000 暗赤

スペクトル型は、恒星の温度が高い方から低い方へO-B-A-F-G-K-Mという順番で並んでいます。更にそれぞれを(恒星の温度が高い方から低い方へ)0から9の10段階で分類します。従来、最低温の星はM型とされてきましたが、最近の観測でより低温の恒星が見つかるようになりました。このためM型より低温なL型、さらに低温のT型という分類を加える場合があります。

上記の表記で、太陽は「G2V」と分類されます。

重星と連星

どちらも複数の星がすぐそばにある星を指しますが、その実態は全くの別物です。

重星は、地球上から観測した場合、たまたま似たような方向に存在したために、すぐそばにあるように見える星です。一方、連星は、力学的に繋がりのある複数の星を指します。連星は物理的に近く(恒星間的な感覚で)に存在するため、重星と重複する場合もありますが、球面天文学的には多少離れており重星となっていなくても力学的な繋がりがある、といった場合もあります。 一見すると非常に特殊なように思えますが、連星それ自体は(すくなくとも太陽系近傍では)ありふれた星と言えます。太陽と比較した場合の特殊性は、どういった連星であるか、です。ほとんど別の星というくらい距離の離れているものもあれば、(比喩ではなく)表面が触れ合わんばかりといった距離のもの(あるいは実際に触れているもの)まで、と距離だけをとっても多岐にわたります。

地球からの視点でなく、連星系に属する惑星上からの視点では、単に「空に2つの太陽がある」では済みません。そもそも惑星が存在しうるかという問題から、恒星から受けるエネルギーの変動だけでも波及する影響は膨大です。

未発見の恒星

太陽系近傍でも未だに新たな恒星が発見されます。 注意が必要なのは、一般的に(連星系の伴星のような場合を除き)それら新発見の恒星が星図に載っていなかった星ではないということです。ここで言う「新たに発見された」というのは、太陽系近傍にあることが判明した、ということになります。

変光星

字のごとく明るさが変化する星の総称です。
その変化の度合い、周期、機構によって幾つにも分類されます。太陽も一説では極めて穏やかな(変化の度合いが少ない)変光星であるといわれます。

数々の変光星の中で太陽近傍の恒星を巡ると最も出会いやすい変光星が、不規則型に分類される「閃光星(フレア星)」です。 前触れもなく突然、明るさが数等も跳ね上がる(エネルギーでいえば数百倍)というタイプの恒星で、太陽より小さく暗い恒星にそういったものがあります。 若く活動が活発で、(太陽に比べて)重力が小さい故にフレア活動の規模が巨大になった結果ともいわれますが、はっきりとしたプロセスなどは分かっていません。ただ、閃光星の周辺はあまり快適ではなさそうだ、とは言えそうです。

白色矮星

恒星の燃えかす。質量は太陽並で大きさは地球大という高密度な天体です。

太陽の8倍以下の質量を持つ恒星の進化の先で、赤色巨星化し外層が流れだした結果、中心部だけが取り残され白色矮星となります。核融合反応によるエネルギーは発生しない状態であるため、内部に残留した熱エネルギーだけで光っているだけであり、次第に冷えて暗くなっていくだけです。(逆にその温度から白色矮星の年齢を推測することが出来ます)。

これとは別に、連星系において一方の外層がもう一方にはぎ取られて白色矮星になるというケースもあります。この場合は「近く」に燃料が存在するために核融合燃料が再供給されて活発な活動を行う場合があります(新星や新星型変光星、X線連星、I型超新星)

ただ、特異な星のようにも見えますが、連星系タイプはシリウスB(歴史上最初に確認された白色矮星)やプロキオンBの例のように意外とありふれています。

明確な区別はないようですが、冷えて暗くなった白色矮星を黒色矮星と呼ぶ場合もあるようです。単独の場合、冷えて暗くなった白色矮星の発見は極めて困難であり、太陽系近傍でも未発見のものが存在する可能性があります。

中性子星

太陽の8倍以上30倍未満の質量を持つ恒星のなれの果てであり、超新星爆発の産物です。
構成する物質が、その強大な重力のために電子が陽子の中に押し込まれて中性子となってしまった天体で、太陽級の質量を持ちながら半径が10km程度という超高密度を誇ります。基本的に燃料となる物質の供給が無ければ、次第に冷えて暗くなっていくだけです。
その存在は1932年の中性子発見の直後にソビエトのランダウによって理論的に予言されました。

実際の発見は、いささかドラマチックです。
1967年、ケンブリッジ大学。完成したばかりの電波望遠鏡の観測データを調べていた研究者が奇妙な電波を受信していることに気付きました。その電波は極めて高速かつ正確な周期性を持っており、自然現象ではなく人工のものではないかとの疑念を抱かせるものでした。研究者達がLGM(Little Green Men:緑の小人。一般的な宇宙人のイメージから)なる符丁を与えたぐらいですから、その驚きが伺えます。
結局、これはパルサーと呼称される天体の引き起こす天体現象であり、強力な磁場と高速な自転周期を持つ中性子星がその正体であることが判明、中性子星発見の第1号となりました。

太陽系近傍には活動的な中性子星(パルサー)は見つかっていませんが、冷えて暗くなった中性子星が未発見の可能性はあります。(自転の方向の関係で実際は活動的でも見た目上目立たないため、未発見という可能性もあり得ます)

SF作家にとっても魅力的な題材のようで、強大な潮汐力を扱ったニーヴン「中性子星」、その特異な世界そのものを活写したフォワード「竜の卵」「スタークエイク」、バクスター「フラックス」といった著名作が並びます。

褐色矮星

一言でいえば、惑星と恒星の境界線上の天体、質量が足りなかったために中心核での持続的な核融合反応を起こすことが出来なかった「恒星になり損ねた天体」です。
その存在は1960年代に予想(1963年,クマール,バージニア大学)されましたが、自らは光を発しない天体であるため、実際に確実な証拠が挙がるのは1995年を待たなければなりませんでした。
その発見に至る困難さからするとやや意外ですが、銀河系内には約1000億個が存在するという推定もあるほど、ありふれた存在である可能性が高い天体です。

ただ、地味な出自の為か、褐色矮星そのもの研究が端緒についたばかりの為か、SFでも小道具以上の登場は思いつきません。(アシモフ「ネメシス」とか?)

太陽系外惑星

近年(1995年以降)、直接あるいは間接的な観測手法で太陽以外の恒星でも惑星が発見されています(Extrasolar Planet Search:これまでに発見された太陽系外惑星の一覧があります)。それ以前から、惑星科学の理論では地球や木星のような惑星は普遍的に存在するとされていましたが、惑星の存在が太陽系に限った特殊な事例ではないことが観測によって明らかになりました。


関連書籍

国立天文台 , 理科年表 , 丸善 , 2003
太陽系から15光年の範囲にある恒星一覧があります。
吉田正太郎 , 宇宙の広さは測れるか , 地人書館 , 1985
天文学における「距離の測定」の解説書という一般向けとしては少々風変わりな本です。
恒星の距離測定の基本や歴史、そしてなにより、近くの恒星約100星(約22光年の範囲)という実例が載っていました。
石原藤夫 , 《光世紀世界》への招待―近距離の恒星をさぐる― , 裳華房 , 1994
石原藤夫 , 《光世紀世界》の歩き方-近距離恒星の3Dガイドマップ- , 裳華房 , 2002
太陽系を中心とした1光世紀(=直径100光年)の球状宇宙《光世紀世界》のガイドマップ。
日本語でこのような近傍恒星の情報を網羅している本を入手可能というのは非常に有難いことです。
日本天文学会 , 新版 星図星表めぐり―その活用百科 , 誠文堂新光社 , 1989
星図・星表について、歴史をふまえつつ解説している本です。現在は入手困難なようです。確かに新版といっても1989年の出版ですので内容的に最新の情報には追いついていない面はありますが、基本的なデータはそうそう変わるものではありませんし、「これから」の話としてヒッパルコス星表や天文情報センターといった「現在」の話しにも触れており非常に有用です。

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