Astronomy and Technology: The Sloan Digital Sky Survey 天文学と技術――スローン・デジタル・スカイ・サーベイ In Edwin Hubble’s day, spectra of galaxies had to be taken one at a time. The faint light of a distant galaxy gathered by a large telescope was put through a slit, and then a spectrometer (also called a spectrograph) was used to separate the colors and record the spectrum. This was a laborious process, ill suited to the demands of making large-scale maps that require the redshifts of many thousands of galaxies.
英語のヒント エドウィン・ハッブルの時代には、銀河のスペクトルは、一度に一つずつ取らなければならなかった。大型望遠鏡が集めた遠方銀河の淡い光をスリットに通し、分光計、または分光器を使って色に分け、スペクトルを記録したのである。 これは手間のかかる過程であり、何千、何万もの銀河の赤方偏移を必要とする大規模な地図づくりには、まったく向いていなかった。
But new technology has come to the rescue of astronomers who seek three-dimensional maps of the universe of galaxies. One ambitious survey of the sky was produced using a special telescope, camera, and spectrograph atop the Sacramento Mountains of New Mexico. Called the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), after the foundation that provided a large part of the funding, the program used a 2.5-meter telescope (about the same aperture as the Hubble) as a wide-angle astronomical camera. During a mapping program lasting more than ten years, astronomers used the SDSS’s 30 charge-coupled devices (CCDs)—sensitive electronic light detectors similar to those used in many digital cameras and cell phones—to take images of over 500 million objects and spectra of over 3 million, covering more than one-quarter of the celestial sphere. Like many large projects in modern science, the Sloan Survey involved scientists and engineers from many different institutions, ranging from universities to national laboratories.
英語のヒント しかし、新しい技術が、銀河の宇宙の三次元地図を求める天文学者を助けた。ニューメキシコ州のサクラメント山地の上に置かれた専用の望遠鏡、カメラ、分光器によって、意欲的な全天調査の一つが進められた。 資金の大部分を提供した財団にちなみ、スローン・デジタル・スカイ・サーベイSDSSと名付けられたこの計画では、ハッブルとほぼ同じ口径の2.5 m望遠鏡を、広角の天体カメラとして使った。10年以上続いた地図づくりで、30個の電荷結合素子CCDを使い、5億個を超える天体の画像と、300万個を超える天体のスペクトルを得た。調べた範囲は、天球の4分の1以上に及ぶ。CCDは、多くのデジタルカメラや携帯電話に使われるものと似た、高感度の電子式光検出器である。 現代科学の多くの大規模計画と同じく、この調査には、大学から国立研究所まで、多くの異なる機関の科学者と技術者が参加した。
Every clear night for more than a decade, astronomers used the instrument to make images recording the position and brightness of celestial objects in long strips of the sky. The information in each strip was digitally recorded and preserved for future generations. When the seeing (recall this term from Astronomical Instruments ) was only adequate, the telescope was used for taking spectra of galaxies and quasars—but it did so for up to 640 objects at a time .
英語のヒント 10年以上にわたり、天文学者は晴れた夜ごとにこの装置を使い、空の長い帯状の領域を撮影し、天体の位置と明るさを記録した。各帯の情報はデジタルで記録され、将来の世代のために保存された。 シーイングが、観測はできるものの特によくはない時には、望遠鏡は銀河やクエーサーのスペクトル取得に使われた。シーイングという用語は「天文学の観測装置 」で扱った。一度に取れるスペクトルは、最大640天体に及んだ。
The key to the success of the project was a series of optical fibers , thin tubes of flexible glass that can transmit light from a source to the CCD that then records the spectrum. After taking images of a part of the sky and identifying which objects are galaxies, project scientists drilled an aluminum plate with holes for attaching fibers at the location of each galaxy. The telescope was then pointed at the right section of the sky, and the fibers led the light of each galaxy to the spectrometer for individual recording (Figure 28.22 ).
英語のヒント 計画成功の鍵は、多数の光ファイバーだった。曲げられるガラスの細い管で、光源からの光を、スペクトルを記録するCCDまで伝えられる。空の一部を撮影し、どの天体が銀河かを特定すると、研究者はアルミニウムの板に、各銀河の位置に合わせてファイバーを取り付ける穴を開けた。 その後、望遠鏡を対応する空の領域へ向けると、ファイバーが各銀河の光を分光器へ導き、それぞれを記録した（図28.22 ）。
Sloan Digital Sky Survey. スローン・デジタル・スカイ・サーベイ credit a, b: modification of work by the Sloan Digital Sky Survey · CC BY
Figure 28.22 (a) The Sloan Digital Sky Survey telescope is seen here in front of the Sacramento Mountains in New Mexico. (b) Astronomer Richard Kron inserts some of the optical fibers into the pre-drilled plate to enable the instruments to make many spectra of galaxies at the same time. (credit a, b: modification of work by the Sloan Digital Sky Survey)
図28.22 （a）ニューメキシコ州のサクラメント山地を背景に立つ、スローン・デジタル・スカイ・サーベイの望遠鏡。（b）天文学者リチャード・クロンが、穴を開けてある板へ光ファイバーを挿し込んでいる。これにより、多数の銀河のスペクトルを同時に取得できる。（a・bのクレジット：Sloan Digital Sky Surveyによる作品を改変）
About an hour was sufficient for each set of spectra, and the pre-drilled aluminum plates could be switched quickly. Thus, it was possible to take as many as 5000 spectra in one night (provided the weather was good enough).
英語のヒント スペクトル一組を取るには約1時間で十分で、穴を開けてあるアルミニウム板は、すばやく交換できた。そのため、天候が十分よければ、一晩で最大5000本ものスペクトルを得られた。
The galaxy survey led to a more comprehensive map of the sky than has ever before been possible, allowing astronomers to test their ideas about large-scale structure and the evolution of galaxies against an impressive array of real data.
英語のヒント この銀河調査は、それまでにない包括的な空の地図につながった。天文学者は、膨大な実測データに照らして、宇宙の大規模構造や銀河進化についての考えを検証できるようになった。
The information recorded by the Sloan Survey staggers the imagination. The data came in at 8 megabytes per second (this means 8 million individual numbers or characters every second). Over the course of the project, scientists recorded over 15 terabytes, or 15 thousand billion bytes, which they estimate is comparable to the information contained in the Library of Congress. Organizing and sorting this volume of data and extracting the useful scientific results it contains is a formidable challenge, even in our information age. Like many other fields, astronomy has now entered an era of “Big Data,” requiring supercomputers and advanced computer algorithms to sift through all those terabytes of data efficiently.
英語のヒント スローンの調査が記録した情報量は、想像を圧倒する。データは毎秒8メガバイト、つまり毎秒800万個の数値や文字という速さで入ってきた。計画全体で記録した量は15テラバイト、すなわち15兆バイトを超え、研究者は、米国議会図書館に含まれる情報量に匹敵すると見積もった。 この量のデータを整理・分類し、その中から有用な科学的成果を取り出すことは、情報化時代の今でさえ、手ごわい課題である。多くの分野と同じく、天文学も「ビッグデータ」の時代に入り、何テラバイトものデータを効率よくふるいにかけるため、スーパーコンピューターや高度なアルゴリズムが必要になっている。
One very successful solution to the challenge of dealing with such large datasets is to turn to “citizen science,” or crowd-sourcing, an approach the SDSS helped pioneer. The human eye is very good at recognizing subtle differences among shapes, such as between two different spiral galaxies, while computers often fail at such tasks. When Sloan project astronomers wanted to catalog the shapes of some of the millions of galaxies in their new images, they launched the “Galaxy Zoo” project: volunteers around the world were given a short training course online, then were provided with a few dozen galaxy images to classify by eye. The project was wildly successful, resulting in over 40 million galaxy classifications by more than 100,000 volunteers and the discovery of whole new types of galaxies.
英語のヒント このような巨大データを扱う課題に対し、大きな成功を収めた解決法の一つは、「市民科学」、またはクラウドソーシングを活用することである。SDSSは、その先駆けの一つとなった。人の目は、二つの異なる渦巻銀河のように、形の微妙な違いを見分けるのが得意だが、コンピューターは、こうした課題によく失敗する。 スローン計画の天文学者は、新しい画像に写る何百万もの銀河の一部について形を分類したいと考え、「ギャラクシー・ズー」計画を立ち上げた。世界中のボランティアが、オンラインの短い講習を受けた後、数十枚の銀河画像を渡され、目で分類した。 計画は大成功し、10万人を超えるボランティアが4000万件以上の銀河分類を行い、まったく新しい種類の銀河まで発見された。
Counts of galaxies in various directions establish that the universe on the large scale is homogeneous and isotropic (the same everywhere and the same in all directions, apart from evolutionary changes with time). The sameness of the universe everywhere is referred to as the cosmological principle. Galaxies are grouped together in clusters. The Milky Way Galaxy is a member of the Local Group, which contains at least 54 member galaxies. Rich clusters (such as Virgo and Coma) contain thousands or tens of thousands of galaxies. Galaxy clusters often group together with other clusters to form large-scale structures called superclusters, which can extend over distances of several hundred million light-years. Clusters and superclusters are found in filamentary structures that are huge but fill only a small fraction of space. Most of space consists of large voids between superclusters, with nearly all galaxies confined to less than 10% of the total volume.
空のさまざまな方向の銀河を数えると、大きなスケールでは宇宙が一様かつ等方的であるとわかる。時間に伴う進化の変化を除けば、どこでも同じで、どの方向にも同じなのである。宇宙がどこでも同じだという考えを、宇宙原理と呼ぶ。 銀河は集団を作る。天の川銀河は、少なくとも54個の銀河を含む局所銀河群の一員である。おとめ座銀河団や、かみのけ座銀河団のように豊かな銀河団は、何千から何万もの銀河を含む。 銀河団はしばしば、他の銀河団と集まって超銀河団という大規模構造を作り、その広がりは数億光年に達する。銀河団や超銀河団は、巨大だが空間のごく一部しか占めない糸状の構造の中にある。宇宙空間の大半は、超銀河団の間の大きなボイドからなり、ほぼすべての銀河は、全体積の10％未満の範囲に閉じ込められている。