第28章銀河の進化と分布The Evolution and Distribution of Galaxies

How are distant (young) galaxies different from the galaxies that we see in the universe today?

遠方の若い銀河は、現在の宇宙に見える銀河と、どう異なるか。

What is the evidence that star formation began when the universe was only a few hundred million years old?

宇宙がわずか数億歳のころに、星形成が始まったという証拠は何か。

Describe the evolution of an elliptical galaxy. How does the evolution of a spiral galaxy differ from that of an elliptical?

楕円銀河の進化を説明しよう。渦巻銀河の進化は、それとどう異なるか。

Explain what we mean when we call the universe homogeneous and isotropic. Would you say that the distribution of elephants on Earth is homogeneous and isotropic? Why?

宇宙が一様かつ等方的だと言うとき、何を意味するか説明しよう。地球のゾウの分布は、一様かつ等方的だと言えるだろうか。それはなぜか。

Describe the organization of galaxies into groupings, from the Local Group to superclusters.

局所銀河群から超銀河団まで、銀河がどのような集まりを作るかを説明しよう。

What is the evidence that a large fraction of the matter in the universe is invisible?

宇宙の物質の大きな割合が見えないことを示す証拠は何か。

When astronomers make maps of the structure of the universe on the largest scales, how do they find the superclusters of galaxies to be arranged?

宇宙の最大のスケールの構造を地図にすると、超銀河団はどのように配置されているとわかるか。

How does the presence of an active galactic nucleus in a starburst galaxy affect the starburst process?

スターバースト銀河に活動銀河核があると、スターバーストの過程にどう影響するか。

Describe how you might use the color of a galaxy to determine something about what kinds of stars it contains.

銀河の色を使い、どのような種類の恒星を含むかを調べる方法を説明しよう。

Suppose a galaxy formed stars for a few million years and then stopped (and no other galaxy merged or collided with it). What would be the most massive stars on the main sequence after 500 million years? After 10 billion years? How would the color of the galaxy change over this time span? (Refer to Evolution from the Main Sequence to Red Giants.)

ある銀河が数百万年の間、恒星を形成した後、星形成を止めたとしよう。他の銀河との合体や衝突もない。5億年後に主系列上に残る最も大質量の星は、どのような星か。100億年後はどうか。この期間に、銀河の色はどう変わるだろうか。「主系列から赤色巨星への進化」を参照しよう。

Given the ideas presented here about how galaxies form, would you expect to find a giant elliptical galaxy in the Local Group? Why or why not? Is there in fact a giant elliptical in the Local Group?

ここで紹介した銀河形成の考えからすると、局所銀河群に巨大楕円銀河があると予想するだろうか。それはなぜか。実際、局所銀河群に巨大楕円銀河はあるか。

Can an elliptical galaxy evolve into a spiral? Explain your answer. Can a spiral turn into an elliptical? How?

楕円銀河は渦巻銀河に進化できるか。理由を説明しよう。渦巻銀河は楕円銀河になれるか。どのようにしてか。

If we see a double image of a quasar produced by a gravitational lens and can obtain a spectrum of the galaxy that is acting as the gravitational lens, we can then put limits on the distance to the quasar. Explain how.

重力レンズで生じたクエーサーの二重像が見え、レンズとして働く銀河のスペクトルを得られれば、クエーサーまでの距離に制限を置ける。どのようにするのか説明しよう。

Figure 28.24 shows a cluster of yellow galaxies that produces several images of blue galaxies through gravitational lensing. Which are more distant—the blue galaxies or the yellow galaxies? The light in the galaxies comes from stars. How do the temperatures of the stars that dominate the light of the cluster galaxies differ from the temperatures of the stars that dominate the light of the blue-lensed galaxy? Which galaxy’s light is dominated by young stars?

図28.24は、黄色い銀河の銀河団が重力レンズとなり、青い銀河の複数の像を作っている様子を示す。遠いのは、青い銀河か、黄色い銀河か。銀河の光は恒星から来る。銀河団の銀河の光で優勢な星と、レンズで見える青い銀河の光で優勢な星では、温度がどう違うか。どちらの銀河の光が、若い星を主に反映しているか。

Suppose you are standing in the center of a large, densely populated city that is exactly circular, surrounded by a ring of suburbs with lower-density population, surrounded in turn by a ring of farmland. From this specific location, would you say the population distribution is isotropic? Homogeneous?

完全な円形で人口密度の高い大都市の中心に立っているとしよう。その外側には人口密度の低い郊外の環があり、さらに外側を農地の環が囲む。この特定の場所から見た人口分布は、等方的と言えるか。一様と言えるか。

Astronomers have been making maps by observing a slice of the universe and seeing where the galaxies lie within that slice. If the universe is isotropic and homogeneous, why do they need more than one slice? Suppose they now want to make each slice extend farther into the universe. What do they need to do?

天文学者は、宇宙の切片を観測し、その中の銀河の位置を調べて地図を作ってきた。宇宙が等方的かつ一様なら、なぜ切片は一つだけでは足りないのか。各切片を、さらに遠方まで伸ばしたいとしよう。そのために何をしなければならないか。

Human civilization is about 10,000 years old as measured by the development of agriculture. If your telescope collects starlight tonight that has been traveling for 10,000 years, is that star inside or outside our Milky Way Galaxy? Is it likely that the star has changed much during that time?

農耕の始まりを基準にすると、人類文明の歴史は約1万年である。今夜、望遠鏡が1万年かけて旅してきた恒星の光を集めたなら、その星は天の川銀河の中にあるか、外にあるか。その期間に星が大きく変わった可能性は高いだろうか。

Given that only about 5% of the galaxies visible in the Hubble Deep Field are bright enough for astronomers to study spectroscopically, they need to make the most of the other 95%. One technique is to use their colors and apparent brightnesses to try to roughly estimate their redshift. How do you think the inaccuracy of this redshift estimation technique (compared to actually measuring the redshift from a spectrum) might affect our ability to make maps of large-scale structures such as the filaments and voids shown in Figure 28.21?

ハッブル・ディープ・フィールドに見える銀河のうち、分光観測できるほど明るいのは約5％だけなので、残り95％からも、できる限り情報を引き出す必要がある。一つの方法は、色と見かけの明るさを使い、赤方偏移を大まかに推定することだ。スペクトルから実際に測定する場合と比べ、この赤方偏移推定の不正確さは、図28.21のフィラメントやボイドのような大規模構造の地図を作る能力に、どう影響すると考えられるか。

Using the information from Example 1, how much fainter an object will you have to be able to measure in order to include the same kinds of galaxies in your second survey? Remember that the brightness of an object varies as the inverse square of the distance.

例題1の情報を使い、二回目の調査でも同じ種類の銀河を含めるには、どれだけ暗い天体まで測定できなければならないかを求めよう。天体の明るさは、距離の二乗に反比例することを思い出そう。

Using the information from Example 1, if galaxies are distributed homogeneously, how many times more of them would you expect to count on your second survey?

例題1の情報を使い、銀河が一様に分布するとした場合、二回目の調査では何倍の銀河を数えると予想されるか求めよう。

Using the information from Example 1, how much longer will it take you to do your second survey?

例題1の情報を使い、二回目の調査には何倍の時間がかかるか求めよう。

Galaxies are found in the “walls” of huge voids; very few galaxies are found in the voids themselves. The text says that the structure of filaments and voids has been present in the universe since shortly after the expansion began 13.8 billion years ago. In science, we always have to check to see whether some conclusion is contradicted by any other information we have. In this case, we can ask whether the voids would have filled up with galaxies in roughly 14 billion years. Observations show that in addition to the motion associated with the expansion of the universe, the galaxies in the walls of the voids are moving in random directions at typical speeds of 300 km/s. At least some of them will be moving into the voids. How far into the void will a galaxy move in 14 billion years? Is it a reasonable hypothesis that the voids have existed for 14 billion years?

銀河は巨大なボイドの「壁」にあり、ボイドの内部には、ごくわずかしかない。本文では、フィラメントとボイドの構造は、138億年前に宇宙の膨張が始まって間もなくから存在したと述べた。科学では、結論が他の情報と矛盾しないか、常に確かめなければならない。この場合、約140億年の間に、ボイドが銀河で埋まってしまわなかったか、と問える。観測によると、ボイドの壁の銀河は、宇宙膨張に伴う運動に加え、典型的に300 km/sの速さで不規則な方向へ動く。その少なくとも一部は、ボイドへ向かうだろう。140億年の間に、銀河はボイドの中へどれだけ進むか。ボイドが140億年間存在してきた、という仮説は妥当だろうか。

Calculate the velocity, the distance, and the look-back time of the most distant galaxies in Figure 28.21 using the Hubble constant given in this text and the redshift given in the diagram. Remember the Doppler formula for velocity $\left(v\text{=}c\times \frac{\text{Δλ}}{\text{λ}}\right)$ and the Hubble law (v = H × d, where d is the distance to a galaxy). For these low velocities, you can neglect relativistic effects.

図28.21で最も遠い銀河の速度、距離、ルックバック時間を、この本で用いるハッブル定数と、図の赤方偏移から計算しよう。速度を与えるドップラーの式$\left(v\text{=}c\times \frac{\text{Δλ}}{\text{λ}}\right)$と、ハッブルの法則v = H × dを思い出そう。dは銀河までの距離である。ここでの低い速度では、相対論的効果を無視してよい。

Assume that dark matter is uniformly distributed throughout the Milky Way, not just in the outer halo but also throughout the bulge and in the disk, where the solar system lives. How much dark matter would you expect there to be inside the solar system? Would you expect that to be easily detectable? Hint: For the radius of the Milky Way’s dark matter halo, use R = 300,000 light-years; for the solar system’s radius, use 100 AU; and start by calculating the ratio of the two volumes.

ダークマターは外側のハローだけでなく、バルジにも、太陽系のある円盤にも、天の川銀河全体へ一様に分布すると仮定しよう。太陽系内には、どれほどのダークマターがあると予想されるか。それは簡単に検出できると思うか。ヒント：天の川銀河のダークマター・ハローの半径をR = 30万光年、太陽系の半径を100 AUとし、まず二つの体積の比を計算しよう。

The simulated box of galaxy filaments and superclusters shown in Figure 28.29 stretches across 1 billion light-years. If you were to make a scale model where that box covered the core of a university campus, say 1 km, then how big would the Milky Way Galaxy be? How far away would the Andromeda galaxy be in the scale model?

図28.29のシミュレーションの箱は、銀河のフィラメントや超銀河団を含み、幅10億光年ある。この箱を大学の中心部ほどの幅、例えば1 kmに縮めた模型を作るとしたら、天の川銀河はどれほどの大きさになるか。アンドロメダ銀河までの距離は、模型ではいくらになるか。

The first objects to collapse gravitationally after the Big Bang might have been globular cluster-size galaxy pieces, with masses around 10⁶ solar masses. Suppose you merge two of those together, then merge two larger pieces together, and so on, Lego-style, until you reach a Milky Way mass, about 10¹² solar masses. How many merger generations would that take, and how many original pieces? (Hint: Think in powers of 2.)

ビッグバン後、最初に重力で崩壊した天体は、質量が約10⁶太陽質量という、球状星団サイズの銀河の断片だったかもしれない。この断片を二つ合体させ、できた大きな断片をまた二つ合体させる、というように、レゴのように組み立てるとしよう。天の川銀河ほどの約10¹²太陽質量に達するには、何世代の合体と、最初の断片何個が必要か。ヒント：2の累乗で考えよう。