PDF ⅩⅢ 銀河と宇宙の大構造 - 国立大学法人 福岡教育大学

１.銀河の分類

ⅩⅢ . 銀河と宇宙の大構造

銀河＝天の川銀河と同等の天体集団

（～１０００億個レベルの恒星、星間物質などを含む）

→ 見た目の形態で分類できる（形態分類またはハッブル分類）

※左：散開星団・球状星団、星間雲、などの集まったのが、右：銀河

銀河の例（アンドロメダ銀河）

渦 巻 銀 河

●円盤銀河：円盤部に渦巻模様が見られるため渦状銀河ともいう

棒 渦 巻 銀 河

●楕円銀河：楕円体形状 ●不規則銀河：他分類以外 楕

円 銀 河

不 規 則 銀 河

●銀河のハッブル分類（形態分類）

・形態で大きく３分類（楕円銀河、渦巻銀河、棒渦巻銀河）

・楕円は、球→扁平楕円体、の順に E0→E7 に細分類

・渦状銀河は腕の巻付：緊→緩、バルジサイズ：大→小で細分類

・楕円と渦状の中間がレンズ状銀河(S0型)

（巨大楕円銀河や矮小銀河など、形態だけの分類では不十分）

ⅩⅢ . 銀河と宇宙の大構造

１.銀河の分類

ハッブル分類

・天の川銀河と同等の天体集団=銀河（1000億レベルの星・ガス等）

・形態で分類（ ）：楕円、円盤（渦巻、棒渦巻）、不規則

・楕円は扁平度、渦巻は巻型（緊→緩）とバルジサイズで細分類

まとめ１３－１

※宇宙には多くの銀河があり、その中の１つが我々の銀河系。他の銀河に 対し我々の銀河系を呼ぶときは「銀河系」もしくは「天の川銀河」と言う。

２.銀河の定量観測と内部運動

形態の分類では不定性が入る⇒定量的な分類（まだ確立してない）

観測から定量的ないくつかの関係が知られている

●銀河の表面輝度分布の法則：

・楕円銀河

・円盤銀河のバルジ成分

→exp(半径^1/4)で変化

（ド・ボークルール則）

・円盤銀河のディスク成分

→expで変化

（指数関数則）

※右図は銀河の半径に対し輝度

（面積当たり明るさ）がどう変化する かのグラフ。この例はレンズ銀河で バルジ成分＋ディスク成分の合成 で近似されている。

●銀河の内部運動

円盤銀河と楕円銀河では力の釣合いが違う

（円盤銀河でもバルジ成分は楕円銀河と似る）

※銀河内の星に働く力のつり合い：円盤部の方が回転による遠心力が強く働く

●円盤銀河（のディスク）：

光度∝回転速度の関係

（タリーフィッシャー関係）

●楕円銀河：

（円盤銀河のバルジも）

光度∝内部運動の大きさ

（フェイバージャクソン関係）

どちらも銀河の形成過程と関係すると考えられるが

明確には解明されていない（経験則、距離測定には使える）

※右グラフは横軸の速度幅 が回転速度に対応、縦軸は 絶対等級（光度に対応）

※右グラフは光度（矢印の「L」）

がｖ⁴に比例していることを表す

（光度の大きい銀河は質量が 大きく内部の星の動きが速い）

２.銀河の定量観測と内部運動

形態の分類では不定性が入る⇒ な分類（まだ確立してない）

●銀河の表面輝度分布の法則：

楕円（バルジ）はド・ボークルール則 円盤部は指数関数則

●円盤銀河：タリーフィッシャー関係

（ディスク部分）光度∝回転速度

●楕円銀河：フェイバージャクソン関係

（円盤銀河のバルジも）光度∝内部運動 定量的

まとめ１３－２

●円盤銀河の回転曲線とダークマター 質量が中心集中の場合：

→外周ほど遅い回転曲線（右の緑線）

（太陽系の惑星など）

質量分布が広がっている：

→平坦な回転曲線（右の青線）

実際の円盤銀河

＝ほとんど平坦な回転曲線 しかし星の分布は中心集中

⇒見えない質量があるはず

＝失われた質量

（正体不明のダークマター）

ダークマターの正体の仮説：天体か素粒子か？まだ論争中

天体説の場合： MACHO(Massive Astronomical Compact Halo Object) と呼ぶ 素粒子説の場合： WIMP(Weakly Interacting Massive Particles) と呼ぶ

３.銀河の衝突・合体

恒星同士の衝突はない：恒星間距離(10¹⁶m)>>恒星サイズ(10⁹m) 銀河同士の衝突は頻繁：銀河間距離(10⁶pc) > 銀河サイズ(10⁵pc)

※衝突中の銀河の例：３次元での衝突では様々な形態ができる

銀河衝突の影響１：潮汐相互作用

・衝突中の銀河は潮汐相互作用 で尾を引くような形を示す場合が ある（右はシミュレーション例）

・衝突領域では星間ガスの衝突・

圧縮で爆発的な星形成が起こる 場合も（スターバーストと呼ぶ）

銀河衝突の影響２：合体による巨大楕円銀河形成

●円盤銀河の回転曲線とダークマター

３.銀河の衝突・合体

円盤銀河：ほぼ 回転曲線 しかし星の分布は中心集中

⇒見えない質量があるはず

＝失われた質量

（正体不明のダークマター）

銀河同士の衝突は頻繁（恒星同士は衝突しない）

衝突の影響：潮汐相互作用（尾など）、合体（

巨大楕円銀河

形成）

平坦な

まとめ１３－３

４.活動銀河

４．１．活動銀河と中心核

何らかの高エネルギー活動を示す銀河=活動銀河（特異銀河）

●電波銀河： ・強い電波を放射（楕円銀河」が多い）

・特に中心部からジェット状に噴出

※電波銀河の電波強度に色付けした画像、右は中心の拡大図のジェットの吹き出し

●セイファート銀河：

・極度に明るい中心核

・強い輝線スペクトル

（円盤銀河が多い）

※左はセイファート銀河の可視光画像、中心が極端に明るい

右は左の「a－b間」の明るさをグラフにしたもの、中心核が異常に明るい

・点状光源に見えた（準恒星状天体：

QUAsi-StellAR object の略称で QUASAR（クエーサー））

・赤方偏移が大きいことから遠方銀河の中心核と思われる

※左は恒星とクエーサーが並んだ可視光画像、右下はクエーサーのホスト銀河例

４．２．宇宙ジェットと活動銀河統一モデル

・活動銀河ではしばしば長大な宇宙ジェットが観測される

⇒中心部にジェットの源がある（巨大ブラックホール？）

・ジェット中の明るい点の移動が超光速に見える現象も

⇒見かけの現象（サーチライトの光点の移動は超光速可なのと同じ）

●活動銀河中心核の統一モデル：

活動銀河中心核（AGN=Active Galactic Nucleus）は一見様々

⇒中心の巨大ブラックホールで駆動されているのは共通？

⇒巨大ＢＨと周囲の降着円盤、トーラスを見る方向の違い？

※統一モデルの模式図例：まだ研究中で確定したものではない

４.活動銀河

４．１．活動銀河と中心核

何らかの高エネルギー活動を示す銀河

=活動銀河（特異銀河）

●電波銀河：強い電波放射（ジェット状）

●セイファート銀河：明るい中心核（輝線）

● ：極遠方点状光源

（原始銀河中心核）

４．２．宇宙ジェットと活動銀河統一モデル

・活動銀河中心核（AGN）

⇒中心の巨大ブラックホールで駆動

⇒巨大ＢＨと周囲を見る方向の違い？

・活動銀河：長大な宇宙ジェットが多い

（中心の巨大ブラックホールから？）

クエーサー

５.銀河群と銀河団

銀河の空間的分布：距離測定が必要

●近距離の天体の距離測定：年周視差

・後退速度∝距離

・百億光年以上

５．１．天体の距離測定（復習）

●中距離の天体の距離測定：セファイド、超新星

・周期光度関係（セファイド）、ピーク絶対光度（超新星）

・いずれも絶対等級と見かけ等級から距離算定

・～５千万光年（セファイド）、～５０億光年（超新星）

●遠距離の天体の距離測定：

ハッブル・ルメートル則

・地球公転半径基線の三角測量

・～１００００光年くらいまで

単一の方法ではすべての天体距離は測れない

⇒複数の方法をつないでいく：「距離はしご」と呼ぶ

※矢印の重なる部分では両方の手法で測れるので、同じ天体を測って繋いでいく

５．２．銀河群

・距離測定の結果：銀河も群れる

・群れの規模にいくつかの階層

比較的小規模な銀河集団（～数十個、サイズ～0.5Mpc程度、

Mpcはメガパーセク=100万パーセクの略（メガ=100万））

例：局所銀河群（我々の銀河系を含む銀河の小集団、下左図）

局所銀河群（局部銀河群の表記もあり）

ヒクソン銀河群

５．３．銀河団

大規模な銀河集団（数百個～数千個、サイズ～数Mpc程度）

例；乙女座銀河団

エイベル1689銀河団 乙女座銀河団（白黒反転図）

５.銀河群と銀河団

局所銀河群

５．２．銀河群

比較的小規模な銀河集団

（～数十個、～0.5Mpc程度）

例：

５．３．銀河団

大規模な銀河集団

（数百個～数千個、

サイズ～数Mpc程度）

例；乙女座銀河団

乙女座銀河団

局所銀河群

５．１．天体の距離測定

近距離：年周視差

中距離：セファイド、超新星

遠距離：ハッブル・ルメートル則

６.超銀河団と宇宙の大規模構造

●局部超銀河団（乙女座超銀河団）：

乙女座銀河団、局所銀河群を含む複数銀河団：重力的に結びつく

⇒局所超銀河団（乙女座超銀河団）

※おとめ座銀河団を含む銀河の群れる様子（ある方向での切り口での銀河分布）

同様の規模の集団は複数ある：超銀河団（～100Mpc程度）

例：ヘラクレス座超銀河団、かみのけ座超銀河団、A1367超銀河団 うお・ペルセウス座超銀河団、うみへび・ケンタウルス超銀河団

●超銀河団：

※英語表記だが、図 中で「Supercluster」と 表示されているのが 超銀河団。白い点が 密集しているところが 超銀河団になってい る。

●ボイドと泡状構造：

超銀河団の間には空虚な空間（ボイド）がある

⇒３次元的には泡状構造と呼ばれる（～1Gpc程度）

※ある方向での切り口 での大局的銀河分布。

泡状構造が見て取れ る。右側と左側にある 空白の部分は銀河が ないわけではなく観測 によるデータ取得が追 い付いていないため、

描画されていない。実 際にはここにも同様の 銀河分布があるはず。

６.超銀河団と宇宙の大規模構造

●超銀河団：

複数の銀河団が重力的に 結びついたもの：

超銀河団（～100Mpc程度）

例：局所超銀河団

●ボイドと泡状構造：

超銀河団の間には空虚な空間：

（ボイドと呼ばれる）

⇒３次元的には泡状構造

（～1Gpc程度）

●宇宙の階層構造と大規模構造：

階層ごとに天体グループ⇒全体として宇宙の大規模構造

・補足１：銀河の定量的特徴

【銀河の表面輝度分布】：

補足１３－１

円盤銀河のディスク：𝐼 𝑟 = 𝐼_𝑒𝑒𝑥𝑝 −7.67 ^𝑟

𝑟_𝑒

1 4Τ

− 1 （ド・ボークルール則）

楕円銀河・バルジ：𝐼(𝑟) = 𝐼₀exp(− Τ𝑟 ℎ) （指数関数則）

【銀河の回転速度と質量分布】：

中心から𝑟の力の釣合：𝐺𝑀 𝑟 𝑚

𝑟² = 𝑚𝑉²

𝑟 → 𝑀 𝑟 = 𝑟𝑉²

𝐺 ⇒ 𝑉一定で𝑀(𝑟) ∝ 𝑟

銀河団の銀河の全運動エネルギー：𝑇,銀河団物質の全重力エネルギー：Ω, ビリアル定理：2𝑇 + Ω = 0

【銀河団の質量とビリアル定理】：

銀河団の全質量：𝑀, サイズ𝑅,各銀河のランダム運動速度：𝑉, 𝑇~1

2𝑀𝑉² , Ω~ − 𝐺𝑀²

𝑅 ⇒ 𝑀~𝑅𝑉²

𝐺 （サイズと団内の運動から質量推定）