「○○光年先の星」ってなんで分かるの？　天体までの距離を測定する「宇宙の距離はしご」

定規では測りようがない宇宙の調べ方。

» 2018年03月12日 11時00分公開

　特撮番組「ウルトラマン」シリーズに出てくる「M78星雲」をご存じでしょうか。作中では3000万光年離れているとされていますが、M78という同一名称の天体が実際にあり、オリオン座方向に1600光年離れていることが分かっているんですよ。

　それにしても、どうやって3000万光年先や、1600光年先の星までの距離を測っているのでしょうか。宇宙のかなたにある星までの距離は定規やメジャーで直接はかることができません。

　実際の距離測定では、天体までのおおまかな距離や、天体の種類や特徴にあわせて距離を導出しているのです。この、距離ごとに星までの距離をはかる方法は「宇宙の距離はしご」と呼ばれています。

【1段目】近隣の惑星までの距離：レーダー法

　レーダー法では、地球から光（電波）を発して目的の惑星で反射させ、さらにその光を地球で受信します。その光の往復時間を用いて距離を計算するのです。惑星に確実に反射させるために位置を計算する必要があるので、実際には惑星探査機による観測結果なども組み合わせて行われるんですよ！

【2段目】太陽までの距離：ケプラーの法則

　ケプラーの第三法則によると、惑星の公転周期の2乗は、楕円軌道の長半径の3乗に比例します。そこから他の惑星の公転周期と地球の公転周期を比べることで、太陽までの距離が導かれます。

【3段目】ご近所の星までの距離：年周視差法

　机の上にある物を、右目だけと左目だけで見てみてください。左右の目では見え方が異なりますよね。距離の違う2つの物を、2つの異なる角度から見たときの見え方の違いのことを「視差」といいます。

　ヒトが右目と左目の見え方の違いで距離をつかむように、地球が長半径に位置しているときに得られる視差を利用して星の距離を計算することを年周視差法といいます。新しい人工衛星の打ち上げ・観測精度の向上で、年周視差による距離測定範囲を3万光年まで拡大する計画もあるんですよ。

　ちなみに、同じ銀河内にある星の距離測定では、この他にも統計視差法や運動星団の収束点法などが用いられます。

【4段目】近傍の銀河までの距離：標準光源法（セファイド変光星）

　例えば、明るさが分かっている懐中電灯が遠くに置いてあるとき、実際に懐中電灯が出力している明るさよりも暗く見えますよね。見かけの明るさは距離の二乗に反比例して暗くなっているので、その懐中電灯がどれだけ暗く見えるかを測定すれば距離を算出することができます。

　これを明るさが分かっている星で行うのが標準測定法です。「星の本当の明るさなんてどうしたら分かるの？」と思われるかもしれませんが、ここで鍵になるのが「セファイド変光星」という種類の星です。セファイド変光星とは、星の半径が変化（脈動）することによって明るさが変わる星のこと。しかも、この周期によって実際の明るさが決まることが分かっています。

　つまり

年周視差で距離が分かるセファイド変光星の周期‐明るさの関係を求める
年周視差で距離が分からないセファイド変光星の周期を観測する
変光星の実際の明るさを求める
その星が属している銀河までの距離を計算する

　と近所の星から徐々にステップアップしていくのが標準光源法であり、「はしご」と呼ばれる由縁です。標準光源にはセファイド変光星だけでなく、ミラ型変光星など特徴が分かっている他の星を使うこともあります。

【5段目】遠くにある銀河：標準光源法（球状星団、新星など）

　セファイド変光星の光が届かないほど遠くにある銀河は、セファイド変光星よりもさらに明るい星を標準光源として使います。例えば、10万から100万個の星が直径100光年ほどに密集する球状星団や恒星のガスが球状に広がった惑星状星雲、最終段階にある大質量星が爆発して輝く超新星など。

　しかし、これらの星はセファイド変光星ほど実際の明るさが分かるわけではありません。そこで

比較的近くにあるセファイド変光星とそのそばにある暗い標準光源を観測
真の明るさを算出
遠い銀河の星を観測

　というようにステップアップしていきます。

　国立天文台が編さんするデータブック「理科年表」（発行元は丸善）は年1回のペースで発行されており、シリウス、ベテルギウスなどの主要な天体までの距離が記載されています。太陽までの距離はかなり精度よく確定していますが、同じ銀河系内のご近所の星でも測定距離が意外と更新されています。時々チェックしてみると面白いですよ！