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【最新 天文学について学ぶためのおすすめ本 – 初心者から上級者まで】も確認する
天文学のカラー教科書
タイトルには事典とありますが、教科書としても使える、読物としても楽しめる良書です。本書は天文学の全体を網羅するために、26名の著者によって執筆されています。天文学の基本が身につき、断片的な知識をしっかりとつなぎ合わせてくれ流ので、天文学に興味のある方や天文学を学んでいる方には必携の1冊です。
序文
天文学は不思議な学問である。なぜなら、天文学ほど我々に身近な自然科学の分野はないからである。天文学は天体を観ることから始まる。すると、我々は好むと好まざるとにかかわらず、常に天体を観ていることに気がつく。
我々は地球に住んでいるが、そもそも地球は天体(惑星)である。晴れていれば、日中は太陽という天体(星)を拝み、夜には月や満天の星空を眺める。月も、星も天体である。また、星々が川の流れのように見える天の川は、我々の太陽系が存在する銀河の姿に他ならない。古来、天文学が我々にとって身近な学問として心の中にあり続けている所以である。
このような事情から、天文学の研究者のみならず、一般の方々の天文学や宇宙に関する関心は非常に高い。しかし、ひとたび天体現象や宇宙について理解しようとすると、たくさんの科学的知識が必要となり大変である。そんなとき、基礎から最新の情報まで網羅する天文学の手頃な事典があると便利なはずである。本書はまさにこのニーズに応えるものとなっている。
じつは、1983年に、ブルーバックスから『現代天文学小事典』が刊行されている。当時の天文学を縦横無尽に語り尽くした素晴らしい事典であった。しかし、30年の歳月は我々の宇宙観を大きく変えた。『現代天文学小事典』のスピリットを継承し、時期を得て改訂版を出版することは、我々遅れてきた者の責務である。
では、1983年以降、天文学はどのような進展を遂げたのだろうか?進展の原動力はいつの時代でも同じである。技術革新。これに尽きる。1609年、ガリレオ・ガリレイが初めて望遠鏡で宇宙の観測をして以来、可視光による観測は基本である。写真技術の発展とともに、しばらくの間、写真乾板が検出器として使われていた。しかし、1980年代中盤から半導体を利用したCCDカメラが天体観測に利用されるようになった。量子効率は100パーセントに近いので、人類は究極の検出器を手にした。このおかげで、どうしても手の届かなかった100億光年彼方の銀河を観測できるようになった。
技術革新は続く。積年の夢だったハッブル宇宙望遠鏡(HST)が打ち上げられたのが1990年のことであった。主鏡の誤研磨というトラブルを3年後に乗り越えてからは(補正光学系を装着した)、まさに人類の宇宙観を根底から覆すような画像を提供し続けている。あまりにも美しい星雲や銀河の画像に、息をのまれた方も多いだろう。しかし、HSTの主目的は、望遠鏡の名前に宇宙膨張を発見したハッブルの名前が冠されているとおり、宇宙の膨張率であるハッブル定数を精密に測定することだった。宇宙マイクロ波背景放射の観測などと併せて、宇宙の年齢を137億年と決定したことは、ここ30年の最も大きな成果の1つである。
また、HSTの白眉は、深宇宙探査を目的とした、ハッブル・ディープ・フィールドとハッブル・ウルトラ・ディープ・フィールドである。これらのプロジェクトのおかげで、人類は132億光年彼方の銀河を発見するに至り、銀河の誕生過程の解明に肉薄しつつある。もう1つの白眉は、広域サーベイで宇宙のダークマターの3次元分布を初めて明らかにした宇宙進化サーベイ(COSMOプロジェクト)である。冷たいダークマターによる銀河形成論を観測的に初めて立証した。
また、待ち望まれていた宇宙マイクロ波背景放射の精密観測がCOBEとWMAPの2つの衛星で行われた。温度(密度)ゆらぎが発見され、銀河の種が見えてきた。さらに、これらの観測に基づき宇宙の質量密度を調べてみると、原子の占める割合は高々数パーセントで、大半はダークエネルギーとダークマターで占められていることが判明した。我々の住む宇宙は正体不明の暗黒に操られて進化しているのである。
地上の天文台はすべて大型化し、口径8.2mのすばる望遠鏡などが稼働し始めた。遥か130億光年彼方の非常に若い銀河が多数発見され、ようやく銀河の形成と進化の様子がわかるようになった。また、電波では南米アタカマ高地にALMAが建設され、2011年から稼働し始めた。世界初の国際共同運用天文台である。銀河系内の星生成領域の精密観測や遠方銀河の星間物質の研究に大きな進展が期待されている。宇宙天文台はハッブル宇宙望遠鏡の他に、紫外線、赤外線、X線、およびガンマ線天文台が次々と打ち上げられ、本格的な多波長観測の時代に突入した。特に、ガンマ線天文学の発展は著しく、宇宙最大の爆発であるガンマ線バーストの研究が進んだことも特筆に値する。
身近なところでは我々の住む太陽系の理解も格段に進んだ。2006年の国際天文学連合の総会で、冥王星が惑星ではなく準惑星に変更になったことは大きなニュースとして取り上げられた。これは望遠鏡が大型化して、太陽系外縁部の観測が進展したことによる。海王星より遠いところには、冥王星クラスの天体がたくさんあることがわかってきたため、冥王星の位置づけが変更されたのである。また、日本の小惑星探査機「はやぶさ」が小惑星イトカワの物質を持ち帰った大偉業もあった。
一方、コンピュータ・シミュレーションの技術も大革新を遂げた。日本の研究グループが開発した重力多体系専用チップであるGRAPEの開発で、太陽系(恒星+惑星系)から、銀河、宇宙大規模構造の形成と進化まで、飛躍的に速いスピードで計算できるようになったからである。地球や月のでき方も原理計算で探ることができるようになった意義は大きい。また、観測的には、第2の地球探しも本格化し、地球外生命に関する基礎研究も盛んに行われるようになってきた。
何気なく見上げる夜空はなにも変わらないように見える。しかし、人類の宇宙の探求はどんどん進んでいる。読者の皆様にとって、本書が宇宙を理解する一助になれば幸いである。
2013年2月
谷口義明
目次
序文
第1章 宇宙論
1. 概要
2. 近代宇宙論の系譜
3. 一般相対性理論と膨張宇宙論
4. 一様等方宇宙モデル
5. 膨張宇宙
6. 赤方偏移
7. フリードマン方程式と宇宙論パラメータ
8. 宇宙のホライズン
9. ビッグバン宇宙
10. 宇宙の歴史Ⅰ(放射優勢期)
10-1 対称性の高い宇宙(宇宙時間:約10-12秒以前)
10-2 電弱対称性の破れ(宇宙時間:約10-12秒)
10-3 クォーク・ハドロン転移(宇宙時間:約10-6秒)
10-4 ニュートリノ脱結合(宇宙時間:約1秒)
10-5 電子・陽電子の対消滅(宇宙時間:約10秒)
10-6 軽元素合成(宇宙時間:約3分)
11. 宇宙の歴史Ⅱ(物質優勢期以後)
11-1 放射と物質の等密度時(宇宙時間:約6万年)
11-2 電子の再結合と光子の脱結合(宇宙時間:約38万年)
11-3 宇宙の暗黒時代(宇宙時間:約38万年から数億年)
11-4 天体や大構造の形成(宇宙時間:数億年以後)
11-5 宇宙の加速膨張(宇宙時間:約90億年以後)
12. ダークマターとバリオンの起源
12-1 ダークマターの候補粒子
12-2 バリオンの起源
13. インフレーション理論
14. 量子宇宙論と宇宙の始まり
15. ビッグバン元素合成
16. 宇宙マイクロ波背景放射
第2章 ダークエネルギー
1. 概要
2. 一般相対性理論における宇宙定数
3. 真空エネルギーとしての宇宙項
4. 場の量子論における宇宙項問題
5. 膨張宇宙における宇宙項
6. 加速膨張とダークエネルギー
7. ダークエネルギーの観測-
7-1 遠方超新星
7-2 バリオン音響振動
7-3 ダークエネルギーの観測的制限
7-4 弱い重力レンズ
7-5 その他の方法
8. ダークエネルギーの理論
8-1 クインテッセンスなど
8-2 修正重力理論
8-3 非一様宇宙
8-4 人間原理とマルチバース
第3章 ダークマター
1. 概要
2. ダークマターの観測的証拠
2-1 太陽系近傍と銀河系
2-2 銀河
2-3 銀河団
2-4 大規模構造の形成とダークマター・ハロー
3. ダークマターの理論
3-1 バリオン・ダークマター
3-2 非バリオン・ダークマター
3-3 素粒子理論からの予測
4. 素粒子実験による検証
4-1 ニュートラリーノの検出
4-2 ヒッグス粒子の検出
4-3 アクシオンの検出
第4章 宇宙の大規模構造
1. 概要
2. 銀河群、銀河団、超銀河団
2-1 銀河群
2-2 銀河団
2-3 超銀河団
3. 大規模構造
3-1 大規模構造の姿
3-2 銀河の特異運動
4. 大規模構造の観測
4-1 大規模構造の発見
4-2 赤方偏移サーベイ
5. 大規模構造の理論
5-1 銀河分布の定量化
5-2 2点相関関数
5-3 パワースペクトル
5-4 冷たいダークマターに基づく構造形成論
第5章 銀河
1. 概要
2. 銀河の分類
2-1 楕円銀河
2-2 円盤銀河
2-3 S0銀河
2-4 不規則銀河
2-5 ハッブル系列
2-6 矮小銀河
3. 銀河の観測的特徴
3-1 光度
3-2 質量
3-3 表面輝度分布
3-4 サイズ
3-5 色
3-6 金属量
3-7 環境
4. 銀河の形態と性質
4-1 楕円銀河とS0銀河
4-2 渦巻銀河
4-3 不規則銀河
4-4 矮小銀河
4-5 スターバースト銀河
5. 銀河形成論
6. 銀河の進化
6-1 赤方偏移サーベイ
6-2 遠方銀河探査
6-3 宇宙における星生成史
6-4 最遠方銀河
第6章 銀河系
1. 概要
2. 多波長観測で見る天の川
2-1 銀河座標
2-2 さまざまな波長帯で見る天の川の姿
3. 銀河系の基本構造
3-1 全体構造
3-2 バルジと棒状構造
3-3 恒星系円盤(厚い円盤と薄い円盤)
3-4 星間ガス円盤
3-5 ハロー
3-6 球状星団
3-7 太陽系の位置と回転速度
3-8 銀河系の真の姿
3-9 銀河系の質量分布と回転曲線
4. 銀河系中心の構造と巨大ブラックホール
4-1 Sgr A*付近の構造
4-2 巨大ブラックホールの発見
5. 衛星銀河(伴銀河)
5-1 大マゼラン雲と小マゼラン雲
5-2 マゼラン雲流と銀河相互作用
6. 銀河系形成史
6-1 金属量分布と化学進化モデル
6-2 銀河考古学
第7章 星
1. 概要
1-1 星の分類と色―等級図
1-2 原子核反応と元素合成
2. 星の進化
2-1 赤色巨星
2-2 重力崩壊とブラックホールの形成
2-3 巨大質量星の進化
3. 高密度天体
3-1 白色矮星と惑星状星雲
3-2 中性子星とパルサー
4. 星の種族と第1世代星
5. 星の誕生日
6. 銀河の中での集団的星生成
7. 超新星爆発と元素合成
7-1 超新星の観測的分類
7-2 重力崩壊型超新星とニュートリノ天文学
7-3 Ia型超新星
7-4 元素の起源
8. ガンマ線バースト
8-1 発見とそれ以降の歴史
8-2 生成メカニズム
8-3 長いガンマ線バーストと超新星との関連
8-4 短いガンマ線バーストの起源
8-5 宇宙論的研究への応用
第8章 太陽
1. 概要
2. 太陽内部
2-1 核融合反応
2-2 日震学
2-3 対流層・子午面還流
2-4 自転
3. 太陽大気
3-1 光球
3-2 彩層
3-3 コロナ
3-4 太陽風と太陽圏(低速/高速太陽風)
4. 太陽活動
4-1 黒点と白斑
4-2 プロミネンスとダーク・フィラメント
4-3 フレア
4-4 コロナ質量放出
4-5 太陽活動周期とダイナモ
5. 宇宙天気と宇宙気候
5-1 太陽高エネルギー粒子
5-2 惑星間空間衝撃波・共回転衝撃波
5-3 磁気嵐とオーロラ・サブストーム
5-4 太陽活動の長期変動による地球環境(気候)への影響
6. 恒星活動
6-1 恒星黒点
6-2 恒星彩層
6-3 恒星コロナ
6-4 恒星風
6-5 恒星フレア
7. 太陽の一生
第9章 太陽系
1. 概要
2. 地球型惑星
2-1 水星
2-2 金星
2-3 地球と月
2-4 火星
3. 巨大ガス惑星
3-1 木星
3-2 土星
4. 巨大氷惑星
4-1 天王星
4-2 海王星
5. 準惑星と冥王星型天体
5-1 小惑星帯の準惑星
5-2 冥王星型天体
6. 太陽系小天体
6-1 彗星
6-2 小惑星
6-3 太陽系外縁天体
6-4 惑星間塵
6-5 流星と流星群
第10章 太陽系外惑星
1. 概要
2. 系外惑星の観測方法
2-1 アストロメトリ法
2-2 ドップラーシフト法
2-3 トランジット法
2-4 重カマイクロレンズ法
2-5 直接撮像法
3. 系外惑星の特徴
3-1 軌道長半径、軌道離心率
3-2 惑星質量分布
3-3 軌道長半径
3-4 軌道離心率
3-5 軌道面傾斜角
3-6 中心星の依存性
3-7 内部構造
4. 形成モデル
4-1 原始惑星系円盤
4-2 コア集積モデル
4-3 円盤不安定モデル
4-4 ホット・ジュピター
4-5 エキセントリック・ジュピター
4-6 スーパーアース
第11章 ブラックホール
1. 概要
2. ブラックホール時空
3. ブラックホール天体の分類
4. ブラックホールの形成
5. 降着円盤
5-1 標準円盤モデル
5-2 放射非効率降着流
5-3 スリム円盤モデル
6. ジェットと円盤風
6-1 磁気圧駆動型ジェット
6-2 放射圧駆動型ジェット
6-3 ブランドフォード・ナエック機構
6-4 ラインフォース駆動型円盤風
7. ブラックホールの質量測定
8. ホーキング放射と宇宙の終末
第12章 巨大ブラックホールと活動銀河中心核
1. 概要
2. 巨大ブラックホール
3. 活動銀河中心核の種類
3-1 セイファート銀河
3-2 LINER
3-3 クェーサー
3-4 電波銀河
3-5 ブレーザー
4. 活動銀河中心核からの放射
4-1 降着円盤の熱放射
4-2 輝線放射領域
4-3 ジェット
4-4 固有な吸収線系(噴出流)
5. 活動銀河中心核の統一モデル
6. 活動銀河中心核の探査
7. 活動銀河中心核の形成と進化
8. 巨大ブラックホールと銀河の共進化
第15章 星間物質
1. 概要
2. 星間雲
2-1 分子雲
2-2 中性水素(HⅠ)雲
2-3 電離水素(HⅡ)雲
2-4 惑星状星雲
2-5 超新星残骸
2-6 コロナガス
2-7 高速度雲
3. 宇宙塵
3-1 星間減光
3-2 星間偏光
3-3 赤外線放射
3-4 元素組成とサイズ分布
3-5 生成、進化、破壊
4. 銀河宇宙線
5. 星間での諸現象
5-1 星間磁場
5-2 星間乱流
5-3 星間衝撃波
5-4 星間放射場
6. 星間物質の大域的諸性質
6-1 多相モデル
6-2 スーパーバブル
6-3 銀河リッジX線放射
6-4 星間雲とガンマ線
第14章 銀河間物質
1. 概要
2. クェーサー吸収線系
2-1 吸収線で影をとらえる
2-2 減衰ライマンα吸収線系
2-3 ライマン・リミット吸収線系
2-4 ライマンαの森
2-5 金属吸収線系
2-6 宇宙紫外線背景放射
3. 銀河間空間の金属汚染
4. 銀河間空間と環境
4-1 銀河団ガス
4-2 銀河系近傍の銀河間ガス
5. 初期宇宙における銀河間ガス
5-1 宇宙の暗黒時代
5-2 宇宙再電離
5-3 ガン・ピーターソン効果
第15章 宇宙生物学
1. 概要
2. 星間分子
3. 気相反応
4. 星間塵表面反応
5. 宇宙有機物質
6. 生命の起原
7. 化学進化とミラーの実験
8. 地球外物質の地球への運搬
9. パンスペルミア仮説
10. キラリティ(対掌性)
11. タンパク質
12. 核酸と遺伝
13. 生物の進化
14. ハビタブル惑星
15. 地球外生命探査
16. バイオマーカー
17. 地球外文明
第16章 観測技術
1. 概要
2. 可視光―赤外線
2-1 光赤外線観測の歴史
2-2 光学系
2-3 望遠鏡
2-4 光赤外線検出器
2-5 光学素子
2-6 光赤外観測装置
2-7 補償光学
3. 電波
3-1 電波望遠鏡の歴史
3-2 電波天文観測
3-3 単一アンテナ電波望遠鏡
3-4 電波干渉計
3-5 VLBI
4. X線
4-1 宇宙X線観測
4-2 X線検出の原理
4-3 X線検出器
4-4 X線望遠鏡
第17章 飛翔体による宇宙探査と宇宙開発
1. 概要
2. 宇宙開発史
2-1 宇宙開発の黎明期
2-2 冷戦下の人工衛星打ち上げと有人宇宙活動
2-3 月・惑星探査競争
2-4 宇宙ステーションの建設
2-5 日本の宇宙開発の歴史
2-6 新興国と民間事業者の台頭
3. 人工衛星
3-1 人工衛星のしくみ
3-2 人工衛星の構成
3-3 地球周回軌道
3-4 天文観測衛星
3-5 地球観測衛星
3-6 通信・放送衛星
3-7 測位衛星
3-8 情報収集衛星
3-9 超小型衛星
4. 太陽系探査
4-1 太陽系探査の手法
4-2 太陽系探査ロボット
5. ロケットと高高度気球
5-1 衛星打ち上げ用ロケット
5-2 観測ロケット
5-3民間サブオービタル宇宙機
5-4 再使用型観測ロケット
5-5 高高度気球
5-6 航空機搭載望遠鏡
6. 有人による宇宙探査と宇宙開発
6-1 有人宇宙飛行
6-2 宇宙飛行士
6-3 国際宇宙ステーション
6-4 宇宙基地
7. 宇宙ゴミ
第18章 天文学の教育と普及
1. 概要
2. 学校教育
2-1 小学校での天文教育
2-2 中学校での天文教育
2-3 高等学校での天文教育
2-4 大学・大学院での天文教育
3. 科学館とプラネタリウム
3-1 科学館における天文学の普及
3-2 プラネタリウムにおける天文学の普及
4. 公開天文台
4-1 公開天文台の歴史
4-2 公開天文台の現状と役割・未来像
付録
1. 物理定数
1-1 普遍定数
1-2 相互作用定数
1-3 その他の重要な定数
1-4 質量
1-5 CGS単位系とSI単位系との関係
2. 天文学的な定数
2-1 太陽と地球
2-2 時間の単位
2-3 距離の単位
2-4 年周視差の観測原理とパーセクの定義
3. 宇宙論的な定数とパラメーター
4. 天体からの電磁波
4-1 電磁波の名称
4-2 天体からの電磁波の放射強度
4-3 等級
5. 天体の位置(座標系)
5-1 赤道座標
5-2 銀河座標
5-3 超銀河座標系
さくいん
監修者・執筆者
監修者 谷口義明
執筆者
第1章 松原隆彦
第2章 松原隆彦
第3章 谷口義明
第4章 嶋作一大
第5章 鍛冶澤賢、谷口義明
第6章 和田桂一
第7章 吉田直紀(1~6節)、戸合友則(7、8節)
第8章 柴田一成(1、2、6、7節)、浅井歩(3~5節)
第9章 渡部潤一
第10章 井田茂
第11章 大須賀健、高橋労太
第12章 寺島雄一、長尾透、谷口義明
第13章 井上昭雄、釜谷秀幸
第14章 柏川伸成
第15章 大石雅寿
第16章 吉田道利(1、2節)、石黒正人(3節)、粟木久光(4節)
第17章 阪本成一
第18章松村雅文(1、2節)、加藤賢一(3節)、黒田武彦(4節)
尚、1つの章を担当していて、担当の節が示されていない場合は、著者らが協力して執筆した。
