第26章銀河Galaxies

Another technique for measuring galactic distances makes use of an interesting relationship noticed in the late 1970s by Brent Tully of the University of Hawaii and Richard Fisher of the National Radio Astronomy Observatory. They discovered that the luminosity of a spiral galaxy is related to its rotational velocity (how fast it spins). Why would this be true?

銀河までの距離を測る別の方法は、1970年代後半にハワイ大学のブレント・タリーと、米国国立電波天文台のリチャード・フィッシャーが気づいた、興味深い関係を利用する。二人は、渦巻銀河の光度が、その回転速度、つまりどれくらい速く回っているかに関係すると発見した。なぜ、そのような関係が成り立つのだろうか。

The more mass a galaxy has, the faster the objects in its outer regions must orbit. A more massive galaxy has more stars in it and is thus more luminous (ignoring dark matter for a moment). Thinking back to our discussion from the previous section, we can say that if the mass-to-light ratios for various spiral galaxies are pretty similar, then we can estimate the luminosity of a spiral galaxy by measuring its mass, and we can estimate its mass by measuring its rotational velocity.

銀河の質量が大きいほど、外側にある天体は速く公転しなければならない。質量の大きい銀河には星が多く、そのため光度も大きい。ここでは、ひとまず暗黒物質を考えないことにする。前の節の議論を振り返ろう。さまざまな渦巻銀河の質量光度比がかなり似ているなら、質量を測ることで光度を推定できる。そして質量は、回転速度を測ることで推定できる。

Tully and Fisher used the 21-cm line of cold hydrogen gas to determine how rapidly material in spiral galaxies is orbiting their centers (you can review our discussion of the 21-cm line in Between the Stars: Gas and Dust in Space). Since 21-cm radiation from stationary atoms comes in a nice narrow line, the width of the 21-cm line produced by a whole rotating galaxy tells us the range of orbital velocities of the galaxy’s hydrogen gas. The broader the line, the faster the gas is orbiting in the galaxy, and the more massive and luminous the galaxy turns out to be.

タリーとフィッシャーは、低温の水素ガスが出す波長21 cmのスペクトル線を用いて、渦巻銀河内の物質が中心の周りをどれほど速く公転しているかを求めた。21 cm線の説明は、「星と星の間――宇宙のガスと塵」で復習できる。静止した原子からの21 cm放射は、幅の狭いはっきりした線として現れる。そのため、回転する銀河全体から得られる21 cm線の幅は、その銀河の水素ガスの公転速度がどの範囲に分布しているかを示す。線が広いほど、ガスの公転は速く、銀河の質量も光度も大きいことになる。

It is somewhat surprising that this technique works, since much of the mass associated with galaxies is dark matter, which does not contribute at all to the luminosity but does affect the rotation speed. There is also no obvious reason why the mass-to-light ratio should be similar for all spiral galaxies. Nevertheless, observations of nearer galaxies (where we have other ways of measuring distance) show that measuring the rotational velocity of a galaxy provides an accurate estimate of its intrinsic luminosity. Once we know how luminous the galaxy really is, we can compare the luminosity to the apparent brightness and use the difference to calculate its distance.

この方法がうまくいくのは、少し意外なことでもある。銀河に伴う質量の多くは暗黒物質であり、光度にはまったく寄与しないのに、回転速度には影響するからだ。また、すべての渦巻銀河の質量光度比が似ているはずだという明白な理由もない。それでも、ほかの方法でも距離を測れる近隣の銀河を観測すると、回転速度の測定から本来の光度を正確に推定できることが分かる。銀河が実際にどれだけの光を放つかが分かれば、その光度と見かけの明るさを比較し、違いを利用して距離を計算できる。

While the Tully-Fisher relation works well, it is limited—we can only use it to determine the distance to a spiral galaxy. There are other methods that can be used to estimate the distance to an elliptical galaxy; however, those methods are beyond the scope of our introductory astronomy course.

タリー・フィッシャー関係はよく機能するが、使える範囲には限りがある。距離を求められるのは渦巻銀河だけだ。楕円銀河までの距離を推定する方法もあるが、それらはこの天文学入門では扱わない。

Table 26.2 lists the type of galaxy for which each of the distance techniques is useful, and the range of distances over which the technique can be applied.

表26.2に、それぞれの測距法が役立つ銀河の種類と、適用できる距離の範囲を示す。

Astronomers determine the distances to galaxies using a variety of methods, including the period-luminosity relationship for cepheid variables; objects such as type Ia supernovae, which appear to be standard bulbs; and the Tully-Fisher relation, which connects the line broadening of 21-cm radiation to the luminosity of spiral galaxies. Each method has limitations in terms of its precision, the kinds of galaxies with which it can be used, and the range of distances over which it can be applied.

天文学者は、セファイド変光星の周期光度関係、標準光源とみなせるIa型超新星などの天体、そして21 cm放射の線幅の広がりを渦巻銀河の光度に結びつけるタリー・フィッシャー関係など、さまざまな方法で銀河までの距離を求める。どの方法にも、精度、使える銀河の種類、適用できる距離の範囲という点で限界がある。