高校地学 銀河と大規模構造—天体の階層と観測範囲の違いを整理する｜武蔵野個別指導塾

銀河の形態と銀河団の構成要素を整理し、観測範囲や検出条件から大規模構造の地図を吟味します。

よくあるのは、銀河団という名前から、巨大な1つの恒星系を思い浮かべる場面です。銀河団には多数の銀河が集まり、それぞれの銀河にも多数の恒星があります。写真を拡大して見える模様と、広い範囲に銀河の位置を記した地図では、点が表すものも異なります。同じ「集まり」という言葉を使うときほど、何が集まっているのかを確かめましょう。

問題の地図を読む3つの視点

1つ目は、写真に写った銀河の形態を比較する問題です。渦巻状の腕が見えるか、全体がなめらかか、明確な対称性があるかを読み取ります。見かけの形を観察する問いと、銀河の年齢や将来を推定する問いは別です。形を分類しただけで進化の順序を決めることはできません。

2つ目は、階層を説明する問題です。恒星が属する銀河と、銀河が集まる銀河群・銀河団を区別します。広い地図では、銀河や銀河団が多く分布する細長い領域と、その間の銀河が比較的少ない領域に着目します。対象を1段ずつ言葉に置き直すと、名前の似た集まりを混同しにくくなります。

3つ目は、資料から結論の範囲を決める問題です。観測範囲が狭い地図で空白に見えても、範囲の外まで空いているとは限りません。また、観測できる明るさや距離に限界があれば、実際にある銀河の一部を見落とします。資料に書かれた条件と、そこから言えることを分けて答えます。

点が表す対象を取り替える

恒星は自ら光を放つ天体です。銀河は多数の恒星のほか、星間のガスや塵、見えない質量成分などを含む大きな系です。太陽系は銀河系の中にあります。銀河系という固有の銀河と、一般名詞の銀河を区別すると、銀河団の説明も整理できます。

銀河には渦巻銀河、楕円銀河、不規則銀河などの形態があります。渦巻銀河では円盤や渦状の構造が見られ、楕円銀河はおおむね滑らかな楕円状に見えます。不規則銀河は整った渦巻や楕円の形に分類しにくいものです。ただし向きや画像の質によって見え方は変わります。横から見た円盤では、正面から見たときの腕が読み取りにくい場合があります。

図1のように、銀河を1つのまとまりとして見る段階から、銀河どうしの分布を見る段階へ移ります。模式図の大きさと間隔は実際の縮尺を表していません。図中のそれぞれの四角は対象の種類を示しており、実際に同じ形の境界があるという意味ではありません。

図1で矢印は、左側が右側の構成要素になる関係を表します。恒星系と銀河は同じ大きさのものではなく、銀河団も単一の巨大な恒星ではありません。銀河群と銀河団はともに銀河の集まりですが、一般に銀河団の方がより豊かな銀河の集まりです。群と団の区別を、いつでも通用する単純な個数の境界で決める必要はありません。

さらに広い範囲では、銀河や銀河団は一様に散らばるのではなく、網目に似た分布を示します。銀河が比較的多い細長い領域をフィラメント、銀河が比較的少ない広がりをボイドと呼びます。ボイドは完全に何もない穴という意味ではありません。地図の点が少ない理由には、実際の分布のほか、観測の届く範囲や選び方も関わります。

階層の図には注意が必要です。銀河群と銀河団を必ず直列の入れ子として描くと、すべての群が団の内部にあるかのように見えます。群と団は銀河の集まりの異なる例として扱い、フィラメントとの関係も分布の傾向として考えます。系の境界は、地図上の枠線だけで決まるものではありません。

例題1　何が集まっているか

自作の資料で、Aは1つの銀河、Bは多数の銀河が集まった銀河団を示します。Bを「1つの恒星系」と説明した答案を直し、「銀河」と「恒星」を使って2文で説明してください。

図2のように、Bの中の小さなまとまりが銀河で、その内部に恒星があります。模式図は実寸比ではなく、点の数も実際の個数を表しません。

まずBの構成要素を確認します。Bの中にあるのは多数の銀河です。 次にAの内部を確認します。Aのような銀河には多数の恒星が含まれます。 したがって、Bは1つの恒星系ではなく、銀河が集まった銀河団です。 答案は「銀河団は多数の銀河が集まった系です。それぞれの銀河には多数の恒星が含まれます」となります。

逆向きに読んで確認します。恒星を含む単位が銀河で、その銀河が集まったものがBです。問題文のAとBの関係に戻るので、途中で対象を取り違えていません。なお、恒星の集まりにもさまざまな規模がありますが、銀河団の各構成要素を恒星1個に置き換える説明はできません。

例題2　写真の比較と結論の限界

自作の画像資料では、Pは中心から伸びる渦状の腕が見え、Qは全体が滑らかな楕円状に見えます。どちらを渦巻銀河、どちらを楕円銀河と分類するのが適切ですか。また、この2枚だけでPがQより若いと決められるか、理由を添えて答えてください。

まず、Pには渦状の腕が見えます。したがってPは渦巻銀河として分類します。 次に、Qは滑らかな楕円状です。したがってQは楕円銀河として分類します。 形態は画像の形に基づく分類です。問題文には年齢を判定する情報がありません。 よって、2枚の形だけからPがQより若いとは決められません。

別の確かめ方は、結論に必要な情報を逆から探すことです。若さの比較には年齢に関する根拠が必要ですが、与えられたのは形です。腕と滑らかな形を入れ替えると分類も入れ替わりますが、年齢の情報が新たに生じるわけではありません。分類図の並び順を時間の矢印と読まないことが大切です。

画像が不鮮明なときは、腕が見えないことと腕が存在しないことも区別します。向き、明るさ、解像度をそろえた画像を比べれば、見かけの違いによる誤判定を減らせます。それでも形態だけで個々の銀河の進化の履歴を一意に復元することはできません。

例題3　地図の空白から言えること

自作の銀河分布図では、観測した長方形の範囲の中央に、周囲より点の少ない領域Rがあります。点は検出された銀河を表し、範囲外は観測していません。Rをボイドの候補と考える理由と、「Rには銀河が存在せず、範囲外まで続く」とは言えない理由を、それぞれ述べてください。

まず点の意味を確認します。点は検出された銀河です。 Rでは周囲より点が少ないので、銀河が比較的少ない領域の候補になります。 ただし、点が少ないことは銀河の個数が必ずゼロであることを意味しません。 また、範囲外には観測結果がありません。Rの外側への広がりはこの地図から決められません。 したがって、Rをボイドの候補とすることはできますが、完全な空白や範囲外への連続は断定できません。

逆に資料へ戻すと、「比較的少ない」は周囲との比較に対応し、「範囲外は不明」は観測条件に対応します。候補という言い方は、資料が無意味ということではありません。資料から得られる手がかりを、確かめられた範囲に限定して使う表現です。

調べ方を設計するなら、Rの周囲を含むより広い領域を、同じ選択条件で調べます。遠いほど暗い銀河を検出しにくい場合には、見かけの密度差が検出の偏りでも生じます。距離や明るさの条件をそろえて比較し、検出できなかった銀河の影響を検討します。学校での学習では、観測を直接行う代わりに、条件を明記した配布資料や自作の分布図を用いて比較できます。

地図が空間の一部を平面へ投影したものなら、異なる距離の銀河が重なって見えることもあります。空の上で近く見えるだけでは、空間内でも近いと決定できません。距離の情報を加えて立体的な分布を調べることが、見かけの集まりと空間的な集まりを分ける助けになります。

誤った読みをほどく

図3のように、銀河団を恒星が直接集まった1個の銀河として描くと、銀河という中間の単位が抜け落ちます。模式図は縮尺を表しません。間違いの原因は「団」という語から、何が集まるかを確かめずに図を完成させたことです。

直すときは、まず銀河団の中に複数の銀河を描きます。次にその1つの内部に恒星を置きます。図3の右側では、銀河団から銀河、恒星へと対象をたどれます。描いた後に「各枠には何が入るか」を文章に戻せば、階層の抜けを点検できます。

もう1つの誤りは「ボイドは完全な真空」とすることです。正しくは銀河が周囲に比べて少ない領域です。少ないという相対的な記述と、ゼロという絶対的な記述は違います。観測図の空白は検出限界や観測範囲でも生じるため、地図の凡例と範囲を先に読みます。

また、渦巻銀河と楕円銀河を一列に並べて「必ず左から右へ変わる」とする答案も修正が必要です。形態の並びは分類のための整理です。時間順かどうかを示す条件がなければ、図の配置から時間の向きを読み取れません。分類と進化の問いを別々に書き出すと、図の使い方が明確になります。

練習問題

以下の資料はすべて学習用の自作です。指定された語を使い、根拠が資料のどこにあるかも考えてください。

1. ある図の点は恒星を表し、その点の集まりXは1つの銀河を表します。別の図の点は銀河を表し、その集まりYは銀河団です。XとYが表す対象を「恒星」「銀河」の両方を用いて説明してください。
2. 画像Uには整った渦状の腕が見え、画像Vは不規則な形で、明確な渦巻や楕円に分類しにくいとします。UとVの形態をそれぞれ答え、画像の向きや質に注意する理由を1つ述べてください。
3. 広い範囲を描いた資料に、銀河の多い細長い領域Sと、周囲より銀河の少ない領域Tがあります。SとTに対応する名称を答え、Tについて「完全に空である」と言えない理由を述べてください。
4. 2つの銀河が空の地図で隣り合っています。距離は示されていません。この資料だけで2つが空間的にも近いと断定できるか、「投影」と「距離」を用いて説明してください。
5. 同じ領域の2枚の自作地図を比べます。地図Cは暗い銀河まで検出でき、地図Dは明るい銀河しか検出できません。Dの点が少ないとき、それだけで実際の銀河が減ったと判断できるか、検出条件に触れて説明してください。

練習の答えと考え方

1. Xは多数の恒星などを含む1つの銀河です。Yは多数の銀河が集まった銀河団です。Xの図では1点が恒星、Yの図では1点が銀河なので、同じ点を同じ天体と読まないことが出発点です。各説明を図に戻すと、どちらも問題の凡例と一致します。

2. Uは渦巻銀河、Vは不規則銀河です。渦状の腕と、整った分類が難しい形をそれぞれ根拠にします。例えば円盤を横から見ると腕が見えにくいことがあるため、見えない形を直ちに存在しないと判断できません。与えられた見え方が逆なら分類の対応も逆になることを確認します。

3. Sはフィラメント、Tはボイドです。ボイドは銀河が周囲より比較的少ない領域を指すので、銀河がまったくないことまでは意味しません。Sには銀河の多い細長い分布、Tには相対的に少ない分布という条件を戻せます。

4. 断定できません。平面への投影では異なる距離にある銀河が近くに重なって見える場合があります。空の位置に加えて距離を調べなければ、空間内の隔たりは決められません。問題には距離がないので、結論を保留することが資料に対応します。

5. 判断できません。Dでは暗い銀河が検出されないため、実際の分布が変わらなくても点が減りえます。同じ検出条件で比べるか、検出できない銀河の影響を評価する必要があります。CとDの条件へ戻すと、点数の差に観測方法という別の説明が残ります。

覚えておくこと

銀河には多数の恒星があり、銀河団には多数の銀河があります。
形態の分類は、それ自体を進化の順序とはしません。
フィラメントは銀河が比較的多い細長い領域、ボイドは比較的少ない領域です。
観測範囲、検出条件、距離を確かめてから分布を判断します。

答案のどこを見直すか

銀河団を説明できないときは、図の1点が恒星か銀河かを指でたどり、各段の名前を添えてみます。形態の問題で時間順を答えた場合は、問題が求めるのが見た目の分類か進化の推論かを分けます。個別指導では、生徒が描いた模式図を文章に戻し、銀河の内部と銀河間の分布を混同していないかを確かめます。空白を見たときには、凡例、観測範囲、検出条件を順に読み直します。見えた範囲と結論の範囲を対応させることが、宇宙の大きな構造を読む手がかりです。