第5章放射とスペクトルRadiation and Spectra

Objects in the universe send out an enormous range of electromagnetic radiation. Scientists call this range the electromagnetic spectrum, which they have divided into a number of categories. The spectrum is shown in Figure 5.6, with some information about the waves in each part or band.

宇宙の天体は、非常に幅広い電磁放射を送り出している。科学者は、この広がりを「電磁スペクトル」と呼び、いくつかの区分に分けている。図5.6には、電磁スペクトルと、その各部分、つまり各波長域の波についての情報を示している。

Electromagnetic radiation with the shortest wavelengths, no longer than 0.01 nanometer, is categorized as gamma rays (1 nanometer = 10^–9 meters; see Appendix D). The name gamma comes from the third letter of the Greek alphabet: gamma rays were the third kind of radiation discovered coming from radioactive atoms when physicists first investigated their behavior. Because gamma rays carry a lot of energy, they can be dangerous for living tissues. Gamma radiation is generated deep in the interior of stars, as well as by some of the most violent phenomena in the universe, such as the deaths of stars and the merging of stellar corpses. Gamma rays coming to Earth are absorbed by our atmosphere before they reach the ground (which is a good thing for our health); thus, they can only be studied directly using instruments in space.

波長が最も短く、0.01ナノメートル以下の電磁放射は、ガンマ線に分類される。1ナノメートルは10⁻⁹メートルである。付録Dも参照してほしい。ガンマという名は、ギリシャ語のアルファベットの3番目の文字に由来する。物理学者が放射性原子の振る舞いを初めて調べたとき、原子から出てくる放射として3番目に発見されたのがガンマ線だったからである。ガンマ線は大きなエネルギーを運ぶため、生体組織にとって危険になることがある。ガンマ線は恒星の内部深くで生じるほか、恒星の死や、恒星が死んで残した天体どうしの合体など、宇宙で最も激しい現象のいくつかによっても生じる。地球へ来るガンマ線は、地表に到達する前に大気に吸収される。これは私たちの健康にとってありがたいことだ。そのため、ガンマ線を直接研究できるのは、宇宙空間の観測装置を使う場合だけである。

Electromagnetic radiation with wavelengths between 0.01 nanometer and 20 nanometers is referred to as X-rays. Being more energetic than visible light, X-rays are able to penetrate soft tissues but not bones, and so allow us to make images of the shadows of the bones inside us. While X-rays can penetrate a short length of human flesh, they are stopped by the large numbers of atoms in Earth’s atmosphere with which they interact. Thus, X-ray astronomy (like gamma-ray astronomy) could not develop until we invented ways of sending instruments above our atmosphere (Figure 5.7).

波長が0.01〜20ナノメートルの電磁放射は、X線と呼ばれる。可視光よりエネルギーが高いX線は、軟らかい組織を透過できるが、骨は透過できないため、体内の骨の影を画像にすることができる。X線は人の肉の短い距離なら透過できるが、地球の大気中では、相互作用する原子の数が多いために止められる。そのためX線天文学は、ガンマ線天文学と同じく、大気の上へ観測装置を送る方法を発明するまで発展できなかった（図5.7）。

Radiation intermediate between X-rays and visible light is ultraviolet (meaning higher energy than violet). Outside the world of science, ultraviolet light is sometimes called “black light” because our eyes cannot see it. Ultraviolet radiation is mostly blocked by the ozone layer of Earth’s atmosphere, but a small fraction of ultraviolet rays from our Sun do penetrate to cause sunburn or, in extreme cases of overexposure, skin cancer in human beings. Ultraviolet astronomy is also best done from space.

X線と可視光の中間にある放射が、紫外線である。これは、紫の光よりエネルギーが高いという意味である。科学以外の場面では、私たちの目には見えないため、紫外線を「ブラックライト」と呼ぶこともある。紫外線の大部分は、地球の大気のオゾン層に遮られる。しかし、太陽からの紫外線の一部は通り抜け、人に日焼けを起こし、過剰に浴びる極端な場合には皮膚がんも引き起こす。紫外線天文学も、宇宙で行うのが最適である。

Electromagnetic radiation with wavelengths between roughly 400 and 700 nm is called visible light because these are the waves that human vision can perceive. This is also the band of the electromagnetic spectrum that most readily reaches Earth’s surface. These two observations are not coincidental: human eyes evolved to see the kinds of waves that arrive from the Sun most effectively. Visible light penetrates Earth’s atmosphere effectively, except when it is temporarily blocked by clouds.

波長がおよそ400〜700 nmの電磁放射は、人間の視覚で感じ取れる波なので、可視光と呼ばれる。これは、電磁スペクトルの中でも、地表に最も容易に届く波長域である。この2つの事実が一致するのは、偶然ではない。人の目は、太陽から最も効率よく届く種類の波を見るように進化したのである。可視光は、雲に一時的に遮られる場合を除けば、地球の大気をよく透過する。

Between visible light and radio waves are the wavelengths of infrared or heat radiation. Astronomer William Herschel first discovered infrared in 1800 while trying to measure the temperatures of different colors of sunlight spread out into a spectrum. He noticed that when he accidently positioned his thermometer beyond the reddest color, it still registered heating due to some invisible energy coming from the Sun. This was the first hint about the existence of the other (invisible) bands of the electromagnetic spectrum, although it would take many decades for our full understanding to develop.

可視光と電波の間にあるのは、赤外線、または熱放射の波長である。天文学者ウィリアム・ハーシェルは1800年、太陽光をスペクトルに広げ、そのさまざまな色の温度を測ろうとして、初めて赤外線を発見した。温度計をうっかり、最も赤い色よりさらに外側に置いてしまったときにも、太陽から来る目に見えない何らかのエネルギーのために、温度計がなお加熱を示すことに気づいたのである。これは、電磁スペクトルには目に見えない別の波長域があるという最初の手がかりだった。ただし、十分な理解に至るには、さらに何十年もの時間が必要だった。

A heat lamp radiates mostly infrared radiation, and the nerve endings in our skin are sensitive to this band of the electromagnetic spectrum. Infrared waves are absorbed by water and carbon dioxide molecules, which are more concentrated low in Earth’s atmosphere. For this reason, infrared astronomy is best done from high mountaintops, high-flying airplanes, and spacecraft.

赤外線ランプは、主に赤外線を放射する。私たちの皮膚の神経末端は、電磁スペクトルのこの波長域に敏感である。赤外線は、水分子や二酸化炭素分子に吸収される。これらの分子は、地球の大気の低いところほど多く集まっている。そのため赤外線天文学は、高い山の頂上や高高度を飛ぶ航空機、宇宙機から行うのが最適である。

After infrared comes the familiar microwave, used in short-wave communication and microwave ovens. (Wavelengths vary from 1 millimeter to 1 meter and are absorbed by water vapor, which makes them effective in heating foods.) The “micro-” prefix refers to the fact that microwaves are small in comparison to radio waves, the next on the spectrum. You may remember that tea—which is full of water—heats up quickly in your microwave oven, while a ceramic cup—from which water has been removed by baking—stays cool in comparison.

赤外線の次は、短波通信や電子レンジで使われる、なじみ深いマイクロ波である。波長は1ミリメートルから1メートルまでで、水蒸気に吸収される。この性質のため、食べ物を温めるのに有効である。「マイクロ」という接頭辞は、スペクトルでその次に来る電波と比べて、波長が小さいことを指している。水をたっぷり含むお茶は電子レンジですばやく熱くなるが、焼いて作るときに水分が取り除かれた陶磁器のカップは、それに比べて冷たいままだったことを、思い出すかもしれない。

All electromagnetic waves longer than microwaves are called radio waves, but this is so broad a category that we generally divide it into several subsections. Among the most familiar of these are radar waves, which are used in radar guns by traffic officers to determine vehicle speeds, and AM radio waves, which were the first to be developed for broadcasting. The wavelengths of these different categories range from over a meter to hundreds of meters, and other radio radiation can have wavelengths as long as several kilometers.

マイクロ波より波長の長い電磁波はすべて電波と呼ぶが、この区分は非常に広いので、一般にはさらにいくつかに分ける。その中で特になじみ深いものとして、交通警察官が車の速度を測るレーダー式速度計に使うレーダー波や、放送用として最初に開発されたAMラジオの電波がある。これらの区分の波長は、1メートルを超えるものから数百メートルまであり、ほかの電波では波長が数キロメートルに達することもある。

With such a wide range of wavelengths, not all radio waves interact with Earth’s atmosphere in the same way. FM and TV waves are not absorbed and can travel easily through our atmosphere. AM radio waves are absorbed or reflected by a layer in Earth’s atmosphere called the ionosphere (the ionosphere is a layer of charged particles at the top of our atmosphere, produced by interactions with sunlight and charged particles that are ejected from the Sun).

これほど広い波長の範囲があるため、すべての電波が地球の大気と同じように相互作用するわけではない。FMラジオやテレビの電波は吸収されず、大気を容易に通り抜けられる。AMラジオの電波は、大気中の「電離圏」と呼ばれる層で吸収または反射される。電離圏は、大気の上部にある荷電粒子の層で、太陽光や、太陽から放出された荷電粒子との相互作用によって作られる。

We hope this brief survey has left you with one strong impression: although visible light is what most people associate with astronomy, the light that our eyes can see is only a tiny fraction of the broad range of waves generated in the universe. Today, we understand that judging some astronomical phenomenon by using only the light we can see is like hiding under the table at a big dinner party and judging all the guests by nothing but their shoes. There’s a lot more to each person than meets our eye under the table. It is very important for those who study astronomy today to avoid being “visible light chauvinists”—to respect only the information seen by their eyes while ignoring the information gathered by instruments sensitive to other bands of the electromagnetic spectrum.

この短い概観から、一つの印象が強く残っていればと思う。多くの人が天文学と結びつけるのは可視光だが、私たちの目に見える光は、宇宙で生じる幅広い波の、ごく小さな一部分にすぎない。現在では、目に見える光だけで天体の現象を判断するのは、大きな晩餐会でテーブルの下に隠れ、招待客全員を靴だけで判断するようなものだとわかっている。どの人にも、テーブルの下から目に入るものより、はるかに多くの面がある。今、天文学を学ぶ人にとって、「可視光至上主義者」になるのを避けることは、とても重要である。つまり、自分の目で見える情報だけを重んじ、電磁スペクトルのほかの波長域に感度を持つ装置が集めた情報を無視してはいけない。

Table 5.1 summarizes the bands of the electromagnetic spectrum and indicates the temperatures and typical astronomical objects that emit each kind of electromagnetic radiation. While at first, some of the types of radiation listed in the table may seem unfamiliar, you will get to know them better as your astronomy course continues. You can return to this table as you learn more about the types of objects astronomers study.

表5.1は電磁スペクトルの各波長域をまとめ、それぞれの電磁放射を出す温度と、代表的な天体を示している。表に挙げた放射の種類には、最初はなじみがないように感じるものもあるだろう。しかし天文学の学習が進めば、よくわかるようになる。天文学者が研究する天体の種類についてさらに学ぶたびに、この表へ戻ってみよう。