天文単位の距離

天文学は、メートルでは扱いにくい距離を測ります。太陽に最も近い恒星は約四〇兆キロメートル先にあります。メートルで書けば十七桁の数字になり、読めず、一目で比べることもできません。そのため天文学者は、それぞれの尺度に合った三つの大きな単位を用います。太陽系には天文単位、近傍の恒星には光年、それより遠いすべてにはパーセクです。

これらは、国際単位系やヤード・ポンド法のような意味での体系ではありません。基本単位も接頭語も内部構造も持ちません。いずれもメートルで定められた個別の定義であり、ある尺度の数字を読みやすくするために保たれています。三つとも国際単位系との併用が認められています。

天文学に独自の単位が要る理由

問題は範囲の広さです。太陽系の内部では距離は数十万キロメートルから数十億キロメートルにわたります。恒星の間では光年で数えます。観測可能な宇宙の尺度では数十億パーセクです。一つの単位でこの三つの領域を扱えば、途方もなく大きいか途方もなく小さい数字になってしまいます。

もう一つ、歴史的な理由があります。天文学の歴史の大半において、太陽系の絶対的な尺度は分かっていませんでした。天文学者は公転周期から惑星間の距離の比を非常に精密に測れましたが、距離そのものは測れませんでした。すべてを地球と太陽の距離を基準に表せば、その距離をキロメートルで知らなくても正確に作業できたのです。天文単位はその基準として生まれ、はるか後になって初めて固定されたメートル数になりました。

天文単位

天文単位は、地球と太陽の平均距離におおよそ相当します。もともとは地球の軌道によって定義されていましたが、これは扱いにくいものでした。軌道は楕円であり、定義は正確には分かっていない太陽の質量に依存していたからです。

国際天文学連合は二〇一二年、天文単位を正確に一四九五九七八七〇七〇〇メートルと定めてこの問題を決着させました。メートルが光速によって定義されるのと同じように、今では測定量ではなく定義された換算係数です。選ばれた値は従来の測定値と十分に近く、実務が乱れることはありませんでした。

この単位はほぼ太陽系の内部と系外惑星の軌道にのみ使われます。水星は約〇・三九天文単位、地球は定義上約一天文単位、木星は五・二天文単位、海王星は三〇天文単位を公転します。エッジワース・カイパーベルトはおよそ三〇から五〇天文単位に広がります。こう表せば太陽系の構造は即座に読み取れますが、キロメートルではそうはいきません。

光年

光年は、光が真空中を一年間に進む距離です。名前に反して距離の単位であり時間の単位ではありません。この取り違えは十分に多いので、はっきり述べておく価値があります。

値は二つの固定された数から導かれます。光速は正確に毎秒二九九七九二四五八メートルです。定義に用いるユリウス年は、八六四〇〇秒からなる日を正確に三六五・二五日とします。積は正確に九四六〇七三〇四七二五八〇八〇〇メートル、九兆五千億キロメートル弱です。入力がいずれも測定ではなく定義された値なので、光年は厳密です。

光年は一般向け天文学の単位です。研究論文よりも報道や一般の文章にはるかに多く現れます。パーセクにはない直感的な意味を持つからです。一〇〇光年先の天体を見ることは、それを一〇〇年前の姿で見ることを意味します。プロキシマ・ケンタウリは四・二五光年、銀河系の中心は約二万六千光年、アンドロメダ銀河は約二五〇万光年の距離にあります。

パーセク

パーセクは職業天文学者が実際に用いる単位であり、三つのうち唯一、物理量ではなく測定手法によって定義されています。

名称は「視差」と「秒」の縮約です。地球が軌道を巡る間、近い恒星は遠い背景に対してわずかに動いて見えます。この動きを軌道の相対する二点から測れば、単純な三角法によって恒星までの距離が得られます。基線を一天文単位としたときの動きが一秒角、すなわち一度の三六〇〇分の一に達する恒星は、一パーセクの距離にあります。

二〇一五年以降、パーセクは正確に六四万八〇〇〇を円周率で割った天文単位、約三〇兆八五七〇億キロメートルまたは三・二六一六光年と定義されています。この定義は計算を簡単にするので便利です。恒星の距離をパーセクで表せば、それは秒角で表した視差の逆数にほかなりません。視差〇・一秒角なら距離は一〇パーセクです。倍量には通常の接頭語が付き、銀河の尺度にはキロパーセク、銀河間の距離にはメガパーセクが用いられます。

天文単位が最初に測られたとき

ケプラーの法則は十七世紀初頭には惑星軌道の相対的な大きさを天文学者に与えていましたが、絶対的な尺度は与えませんでした。太陽系は縮尺のない地図でした。尺度を定めるには一つの距離を直接測る必要があり、金星の太陽面通過がその道を開きました。

金星が太陽面を横切るとき、異なる緯度の観測者にはわずかに異なる経路を描いて見え、その時刻差から視差によって距離が求まります。エドモンド・ハレーは自分が生きて使うことはないと知りながら、一七一六年にこの方法を提案しました。一七六一年と一七六九年の通過に向けて国際的な観測隊が組織され、シベリア、南アフリカ、タヒチ、ハドソン湾へ観測者が送られました。世界規模で協調した最初期の科学事業の一つです。ジェームズ・クックの第一回航海も一部はこの目的で組まれました。その成果は天文単位を現在の値の数パーセント以内にまで近づけました。

レーダーが推測に終止符を打ちました。一九六〇年代に金星へ電波を反射させ、その反響を計測することで、距離が数百メートルの精度で直接得られたのです。探査機の測距がさらに精度を高め、二〇一二年に値を定義として固定した決定は、測定が仕えていた定義を上回ったことを認めたにすぎません。

距離を到達時間として表す

光速が固定されているため、天文学的な距離はすべて、光がそこを渡る時間として述べられます。天文学者は常にそうしています。太陽は八光分、木星は約四三光分、太陽系の縁は約一八光時の距離にあります。火星の探査機への指令が届くには四分から二四分かかり、着陸の際に探査機が自律して動くよう組まれているのはこのためです。

同じ考えはより大きな尺度にも当てはまり、述べておくべき帰結を伴います。遠くを見ることは過去を見ることです。一億光年先の天体は一億年前の姿で見えており、現在の状態を観測する方法はありません。したがって望遠鏡は地理の道具であると同時に歴史の道具でもあります。これまでに撮られた最も深い画像は、宇宙が数億歳だったころの銀河の姿を映しています。

どの距離にどの単位か

選び方は、数字を一から数千の間に収めることに尽きます。太陽系内の距離は天文単位で示します。数千光年以内の恒星までの距離は、専門家はパーセクで、それ以外は光年で示します。銀河の尺度の距離はキロパーセク、銀河間の距離はメガパーセクで示します。

つまり選択は原理ではなく実用の問題です。恒星までの距離をキロメートルで書くことを禁じる規則はありません。ただ数字が読めなくなり、比較に使えなくなるだけで、それこそが単位を選ぶ目的のすべてなのです。キロメートルは一つの用途に残ります。月や地球周回軌道上の物体までの距離であり、そこでは天文単位は不便なほど大きすぎます。月は三八万四四〇〇キロメートル、すなわち〇・〇〇二六天文単位の距離にあり、後者の数字は何の役にも立ちません。

測定の方法

視差が今なお基礎です。唯一の直接的な方法であり、観測対象について何の仮定も要さず、他のすべてはこれに対して較正されます。地上の望遠鏡は大気のために数百パーセクに制限されます。宇宙がそれを変えました。ヒッパルコス衛星は一九九〇年代に約一〇万個の恒星を測定し、その後ガイア計画は十億個を超える恒星の視差を数十マイクロ秒角の精度で測り、銀河系の大部分に到達しました。

視差の先では、天文学者は標準光源を用います。固有の明るさが分かっている天体で、見かけの暗さから距離が導かれます。ケフェイド変光星は真の光度を明かす周期で脈動し、Ia型超新星は一定の明るさで爆発し、数十億パーセク先からでも見えるほど明るく輝きます。この距離のはしごの各段は下の段に対して較正されるため、視差測定の改善は宇宙論的な距離にまで波及します。

換算について

三つの単位はいずれもメートルで厳密なので、相互の換算も厳密です。一パーセクは三・二六一六光年、二〇万六二六五天文単位です。一光年は六万三二四一天文単位です。数値が大きいため、長い数字の列より指数表記のほうが分かりやすいのが普通です。

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