第27章活動銀河・クエーサー・超大質量ブラックホールActive Galaxies, Quasars, and Supermassive Black Holes

Describe some differences between quasars and normal galaxies.

クエーサーと通常の銀河との違いを、いくつか説明しよう。

Describe the arguments supporting the idea that quasars are at the distances indicated by their redshifts.

クエーサーは赤方偏移が示す距離にある、という考えを支持する根拠を説明しよう。

In what ways are active galaxies like quasars but different from normal galaxies?

活動銀河は、どのような点でクエーサーに似ていて、通常の銀河とは異なるのか。

Why could the concentration of matter at the center of an active galaxy like M87 not be made of stars?

M87のような活動銀河の中心に集中している物質を、恒星の集まりだと考えられないのはなぜか。

Describe the process by which the action of a black hole can explain the energy radiated by quasars.

ブラックホールの働きによって、クエーサーが放射するエネルギーを説明できる仕組みを述べよう。

Describe the observations that convinced astronomers that M87 is an active galaxy.

M87が活動銀河であると天文学者に確信させた観測を説明しよう。

Why do astronomers believe that quasars represent an early stage in the evolution of galaxies?

クエーサーが銀河進化の初期段階を表すと、天文学者が考えるのはなぜか。

Why were quasars and active galaxies not initially recognized as being “special” in some way?

クエーサーや活動銀河は、なぜ当初、何か「特別な」ものだとは認識されなかったのか。

What do we now understand to be the primary difference between normal galaxies and active galaxies?

通常の銀河と活動銀河の主な違いは何だと、現在では理解されているか。

What is the typical structure we observe in a quasar at radio frequencies?

クエーサーを電波で観測すると、典型的にはどのような構造が見られるか。

What evidence do we have that the luminous central region of a quasar is small and compact?

クエーサーの明るい中心領域が小さく、コンパクトであることを示す証拠には、どのようなものがあるか。

Suppose you observe a star-like object in the sky. How can you determine whether it is actually a star or a quasar?

空に星のように見える天体を観測したとしよう。それが実際に恒星なのか、クエーサーなのかを、どうすれば判断できるか。

Why don’t any of the methods for establishing distances to galaxies, described in Galaxies (other than Hubble’s law itself), work for quasars?

「銀河」で説明した銀河までの距離を求める方法は、ハッブルの法則そのものを除くと、なぜどれもクエーサーには使えないのか。

One of the early hypotheses to explain the high redshifts of quasars was that these objects had been ejected at very high speeds from other galaxies. This idea was rejected, because no quasars with large blueshifts have been found. Explain why we would expect to see quasars with both blueshifted and redshifted lines if they were ejected from nearby galaxies.

クエーサーの大きな赤方偏移を説明する初期の仮説の一つは、他の銀河から非常に高速で放出された天体だとするものだった。しかし、大きな青方偏移を持つクエーサーが見つからないため、この考えは退けられた。近くの銀河から放出されたのであれば、青方偏移した線を持つクエーサーも、赤方偏移した線を持つクエーサーも見えるはずだと考える理由を説明しよう。

A friend of yours who has watched many Star Trek episodes and movies says, “I thought that black holes pulled everything into them. Why then do astronomers think that black holes can explain the great outpouring of energy from quasars?” How would you respond?

『スター・トレック』のテレビ番組や映画をたくさん見た友人が、こう言った。「ブラックホールは何でも中へ引き込むと思っていた。だったら、クエーサーから莫大なエネルギーがあふれ出ることを、ブラックホールで説明できると天文学者が考えるのはなぜ？」どう答えるだろうか。

Could the Milky Way ever become an active galaxy? Is it likely to ever be as luminous as a quasar?

天の川銀河が、将来、活動銀河になることはありうるか。クエーサーと同じくらい明るくなる可能性は高いだろうか。

Why are quasars generally so much more luminous (why do they put out so much more energy) than active galaxies?

クエーサーは一般に、活動銀河よりもはるかに光度が高い、つまり、はるかに多くのエネルギーを放出するのはなぜか。

Suppose we detect a powerful radio source with a radio telescope. How could we determine whether or not this was a newly discovered quasar and not some nearby radio transmission?

電波望遠鏡で強い電波源を検出したとしよう。それが近くの何らかの電波送信ではなく、新たに発見したクエーサーなのかどうかを、どのように判定できるだろうか。

A friend tries to convince you that she can easily see a quasar in her backyard telescope. Would you believe her claim?

友人が、裏庭の望遠鏡でクエーサーを簡単に見られるのだと、あなたを納得させようとしている。その主張を信じるだろうか。

Show that no matter how big a redshift (z) we measure, v/c will never be greater than 1. (This statement applies to the special-relativistic Doppler velocity in this formula, not to every cosmological recession velocity.)

測定した赤方偏移zがどれほど大きくても、この式のv/cが1を超えないことを示しなさい。（これは、この式で定義する特殊相対論的なドップラー速度についての結論であり、あらゆる宇宙論的な後退速度についての結論ではない。）

If a quasar has a redshift of 3.3, at what fraction of the speed of light is it moving away from us?

赤方偏移が3.3のクエーサーは、光速の何倍の速さで私たちから遠ざかっているか。

If a quasar is moving away from us at v/c = 0.8, what is the measured redshift?

クエーサーがv/c = 0.8で私たちから遠ざかっているとき、測定される赤方偏移はいくらか。

In the chapter, we discussed that the largest redshifts found so far are greater than 6. Suppose we find a quasar with a redshift of 6.1. With what fraction of the speed of light is it moving away from us?

この章では、これまでに見つかった最大の赤方偏移は6を超えていると述べた。赤方偏移が6.1のクエーサーを見つけたとしよう。光速の何倍の速さで私たちから遠ざかっているか。

Rapid variability in quasars indicates that the region in which the energy is generated must be small. You can show why this is true. Suppose, for example, that the region in which the energy is generated is a transparent sphere 1 light-year in diameter. Suppose that in 1 s this region brightens by a factor of 10 and remains bright for two years, after which it returns to its original luminosity. Draw its light curve (a graph of its brightness over time) as viewed from Earth.

クエーサーの速い変光は、エネルギーを生む領域が小さいことを示す。その理由を確かめよう。例えば、エネルギーを生む領域が直径1光年の透明な球だとする。この領域が1秒で10倍明るくなり、そのまま2年間輝いた後、元の光度に戻るとしよう。地球から見た光度曲線、すなわち時間に対する明るさのグラフを描こう。

Large redshifts move the positions of spectral lines to longer wavelengths and change what can be observed from the ground. For example, suppose a quasar has a redshift of $\frac{\text{Δ}\text{λ}}{\text{λ}}=4.1.$ At what wavelength would you make observations in order to detect its Lyman line of hydrogen, which has a laboratory or rest wavelength of 121.6 nm? Would this line be observable with a ground-based telescope in a quasar with zero redshift? Would it be observable from the ground in a quasar with a redshift of $\frac{\text{Δ}\text{λ}}{\text{λ}}=4.1?$

大きな赤方偏移は、スペクトル線を長い波長へ移し、地上から観測できるものを変える。例えば、あるクエーサーの赤方偏移が$\frac{\text{Δ}\text{λ}}{\text{λ}}=4.1.$であるとしよう。実験室での波長、つまり静止波長が121.6 nmの水素のライマン線を検出するには、どの波長を観測すればよいか。赤方偏移がゼロのクエーサーでは、この線を地上の望遠鏡で観測できるか。赤方偏移が$\frac{\text{Δ}\text{λ}}{\text{λ}}=4.1?$のクエーサーなら、地上から観測できるか。

Once again in this chapter, we see the use of Kepler’s third law to estimate the mass of supermassive black holes. In the case of NGC 4261, this chapter supplied the result of the calculation of the mass of the black hole in NGC 4261. In order to get this answer, astronomers had to measure the velocity of particles in the ring of dust and gas that surrounds the black hole. How high were these velocities? Turn Kepler’s third law around and use the information given in this chapter about the galaxy NGC 4261—the mass of the black hole at its center and the diameter of the surrounding ring of dust and gas—to calculate how long it would take a dust particle in the ring to complete a single orbit around the black hole. Assume that the only force acting on the dust particle is the gravitational force exerted by the black hole. Calculate the velocity of the dust particle in km/s.

この章でも、超大質量ブラックホールの質量を見積もるために、ケプラーの第三法則を用いた。NGC 4261については、ブラックホールの質量の計算結果を示した。この答えを得るには、ブラックホールを囲む塵とガスの環の中で、粒子がどれほどの速度で動くかを測定する必要があった。その速度はどれくらいだったのだろうか。ケプラーの第三法則を逆に使い、この章で示したNGC 4261の中心ブラックホールの質量と、それを囲む塵とガスの環の直径から、環の中の塵の粒子がブラックホールを一周するのにかかる時間を計算しよう。塵の粒子に働く力は、ブラックホールの重力だけだと仮定する。粒子の速さをkm/sで求めよう。

In the Check Your Learning section of Example 1, you were told that several lines of hydrogen absorption in the visible spectrum have rest wavelengths of 410 nm, 434 nm, 486 nm, and 656 nm. In a spectrum of a distant galaxy, these same lines are observed to have wavelengths of 492 nm, 521 nm, 583 nm, and 787 nm, respectively. The example demonstrated that z = 0.20 for the 410 nm line. Show that you will obtain the same redshift regardless of which absorption line you measure.

例題1の「理解を確かめよう」では、可視スペクトル中の水素の吸収線の静止波長として、410 nm、434 nm、486 nm、656 nmを挙げた。遠方の銀河のスペクトルでは、これらの線が、それぞれ492 nm、521 nm、583 nm、787 nmで観測される。例題では、410 nmの線からz = 0.20を求めた。どの吸収線を測定しても、同じ赤方偏移が得られることを示そう。

In the Check Your Learning section of Example 1, the author commented that even at z = 0.2, there is already an 11% deviation between the relativistic and the classical solution. What is the percentage difference between the classical and relativistic results at z = 0.1? What is it for z = 0.5? What is it for z = 1?

例題1の「理解を確かめよう」では、z = 0.2でも、相対論的な解と古典的な解との間に、すでに11％のずれがあると述べた。z = 0.1では、古典的な結果と相対論的な結果は何％異なるか。z = 0.5ではどうか。z = 1ではどうか。

The quasar that appears the brightest in our sky, 3C 273, is located at a distance of 2.4 billion light-years. The Sun would have to be viewed from a distance of 1300 light-years to have the same apparent magnitude as 3C 273. Using the inverse square law for light, estimate the luminosity of 3C 273 in solar units.

空で最も明るく見えるクエーサー3C 273は、24億光年の距離にある。太陽が3C 273と同じ見かけの等級に見えるには、1300光年離れた場所から眺める必要がある。光の逆二乗則を使い、3C 273の光度を太陽の光度の何倍かで見積もろう。