星までの距離の測り方

皆様、クリスマスはキラキラと光る綺麗なイルミネーションを大切な人と見て過ごすことができていますか？私は一人でお布団に入りながら、キラキラと光る星までの距離を人類がどのように測っているのか考えていました。

今回は、自分が調べて理解することのできた星までの距離の測り方を 4 つ紹介します。（本記事はど素人が興味だけで調べて書いた記事です。間違ったことを書いている可能性が多分にあります。間違いを発見し、報告したい場合には、GitHub よりご連絡をお願いいたします。）

1. 視差を利用した方法

左目だけで見たときと右目だけで見たときで、近くにある物体と遠くにある物体との位置関係がずれて見えます。この現象を視差と呼び、人間が視差を利用して距離感を把握しているように、視差から計算で対象物までの距離を測ることができます。（これを三角測量と呼びます。）

比較的近くにある星は、夏と冬や春と秋の地球の位置の変化により視差が生まれるため、距離を測定することが可能です。

AU（日：天文単位　英：Astronomical Unit）: 太陽から地球の軌道までの距離で、約 1 億 5,000 万 km¹

とはいえ、宇宙のスケールからすると地球の公転半径はとても小さいため、太陽系から一番近い星として知られる約 4.2 光年先にあるプロキシマ・ケンタウリですら、約 0.00021 度（約 0.76 秒角）の視差しか生まず、観測にはかなりの精度を要します。

視差を利用した方法は、1838 年に約 11 光年先の星で初めて観測に成功²し、現在では 3 万光年先を 20% の精度で観測できる³ようにまでなりました。

2. セファイド変光星を利用した方法

セファイド変光星は脈動変光星と呼ばれる星の一種で、星が膨張と収縮を繰り返すと同時に明るさも変化する星です。セファイド変光星は、星の本当の明るさと変光する周期に関係性があることで知られています。（周期 - 光度関係と呼びます。）

国立科学館宇宙の質問箱⁴より引用

セファイド変光星の変光周期を観測することで、星の本当の明るさを予測し、予測した星の本当の明るさと地球から見た星の見かけの明るさを比較することで、星までの距離を測ることができます。

現在では、セファイド変光星を利用した方法は、約 1 億光年先の星の距離を測定できます。⁵天の川銀河の直径は、約 10 万光年⁶と言われているため、天の川銀河ではなく別の銀河に存在する星までの距離をも測定することが可能です。⁷

3. Ia 型超新星を利用した方法

Ia 型超新星は、星が起こす非常に明るく、超強力な爆発現象である超新星（英：supernova）の一種で、白色矮星と呼ばれる太陽ほどの大きさの星が寿命を迎えたあとに残る小さな星が、重力で近くにある星からガスを奪い取り、太陽の約 1.4 倍の質量⁸に達すると自重を維持できなくなり爆発する現象⁹です。

Type Ia Supernova⁹より引用

この Ia 型超新星は、一貫した光度を発し、光度の変化の推移も観測から判明しているため、セファイド変光星と同じように本当の明るさと地球から見た見かけの明るさを比較することで、Ia 型超新星が発生した場所までの距離を測ることができます。

Ia 型超新星は、非常に明るい現象であるため、セファイド変光星を利用した方法よりも非常に遠い距離での観測が可能です。¹⁰

4. 宇宙の膨張を利用した方法

宇宙は膨張していることが知られています。このとき、遠くの天体から発せられた光は、宇宙空間を進行している間に、空間が伸びが伸びることで光の波長も伸びるため光が赤っぽくなります。（これを赤方偏移と呼びます。）

Redshift Animations¹¹より引用

この光の赤く成り具合を見ることで、どのくらいの距離に天体が存在しているのかを測定することができます。

この方法によってはるか 134 億年先の天体の距離を測定することができました。^{12 13}

おわりに

文献の出どころに気を使いつつ、星の距離の測り方を簡単にまとめてみました。数式を使った解説も試みましたが、最初の視差を利用した方法しか理解できなかったので諦めました。

次回の宇宙系記事は、私が驚いた系外惑星の観測方法についてまとめてみようかと思います。