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2019年もノーベル物理学賞を楽しもう!】~宇宙を見るたくさんの窓~(日本科学未来館科学コミュニケーションブログ)

2019年もノーベル物理学賞を楽しもう!~宇宙を見るたくさんの窓~

今回は『日本科学未来館科学コミュニケーションブログ』より科学コミュニケーター 片平圭貴さんの記事からご寄稿いただきました。
※元記事のタイトルは「2019年もノーベル物理学賞を楽しもう!【前編】~宇宙を見るたくさんの窓~」です。

2019年もノーベル物理学賞を楽しもう!~宇宙を見るたくさんの窓~(日本科学未来館科学コミュニケーションブログ)

こんにちは!科学コミュニケーターの片平です。

今年のノーベル賞、特に物理学賞を思う存分楽しむチーム、通称ぶつりーずの一員として、みなさんにノーベル物理学賞を通してみた、物理研究の面白さを紹介します!
 

今回私たちが注目したのは、宇宙を観測するさまざまな手法とその先に見えてくる宇宙の起源。特に2002年のノーベル物理学賞「”天体物理学とくに宇宙ニュートリノの検出へのパイオニア的貢献”と”宇宙X線源の発見を導いた天体物理学へのパイオニア的貢献”」をひもときながら、宇宙を観測する手法のこれまでや未来について、お話していきます。

宇宙を見つめる”窓”

この2002年のノーベル物理学賞は、東京大学名誉教授の小柴昌俊先生が宇宙ニュートリノの発見で受賞されたことで注目されました。

このときの受賞内容についてのリリース文の冒頭には「Two New Windows on the Universe(宇宙の2つの新しい窓)」とあります。
え、窓? 宇宙という外の世界をのぞき見る”窓”、と言う意味で観測手法のことを”窓”、と表現しています。2002年のノーベル賞は、「ニュートリノ」と「X線」という2つの観測手法=窓が開かれました、ということですね。

実は今、宇宙の観測はとても面白いことが始まろうとしています。宇宙の観測では、何を観測したいかによって、適した窓を選ぶのが一般的です。しかし、観測できる窓が増えたことで、いろいろな窓を通して宇宙の現象を観測しようという取り組みが活発になってきているのです。

未来館にある宇宙を観測する手法の展示たち
左上/アルマ望遠鏡、右上/すばる望遠鏡、左下/金星探査機あかつき、右下/スーパーカミオカンデ
(展示写真の撮影は全て、科学コミュニケーター片平)

 

ちなみに、天文学を専攻していた科学コミュニケーター本間に聞いたところ、天文学の世界の人たちは自己紹介で、どの窓を使って研究している、という言い方をするそうです(例えば本間は「”可視光”で銀河を観測したデータを解析する研究をしていました」と言っていました)。宇宙に目を向けている研究者同士でも、のぞいている窓で見えてくる世界、見たいと思っているものが、それぞれに違うことをうかがわせる話です。

そもそも、宇宙にはさまざまな種類(波長)の光が飛び交っており、その中で私たちが、目で見て感じられる光は、光の中でもごくごくほんの一部です。一方、目に見えない光とは、例えば日焼けをする原因になる紫外線や、電子レンジで食べ物を温める時のマイクロ波などです。このような目に見えない光、さらには光以外のニュートリノなどをキャッチする窓はどのようにして開かれてきたのでしょうか。

光は波長によってX線や赤外線などと区別する
目に見えるのは、その中でもごく一部の波長の光
(c)NASAの画像を筆者改編

今回のブログではまず、この2つ以外にもある、全部で7つの宇宙を見る “窓”が開かれてきた歴史、その発見の1つ1つがノーベル賞として評価されるほどの大きな発見であったことを見ていきましょう。

 

1.可視光 私たちの目に見える光

それではまず、私たち人間の目に見えているごく一部の光、可視光について見ていきましょう。可視光は波長で言うと380nm(ナノメートル)から750nmという領域の光です。

私たちは日ごろ、目、つまり視覚を使って、実にたくさんの情報を可視光から受け取っています。視覚の仕組みは医学や生物の分野で特に強い興味を持たれていて、その成果はノーベル賞の中でも、1967年の「視覚の化学的、生理学的基礎過程に関する発見」と1981年の「視覚系における情報処理に関する発見」という2つの生理学・医学賞にも見られます。

では、いつ頃から、可視光で宇宙のことを詳しく見よう、という試みがなされてきたのでしょう。古来より、方角や季節を知るために星の光を利用していましたが、現代の天体観測に通じるのは1609年、ガリレオ・ガリレイが望遠鏡を使って観測したこと、と言えるでしょう。

現在では、観測装置は大型になり、より遠くの可視光を捉え、宇宙の遥か彼方を見通すことが可能となっています。
 

2.赤外線、紫外線──可視光の少し外側にある光

この2つの目に見えない光は1800年、1801年、と連続して発見されました。200年以上も前のことです。

赤外線を発見したのは、ハーシェル。彼はプリズムで散乱された色の異なる光が、物を温める性質を調べるうちに、赤色の光の外側で温度が上がることを発見しました。これが赤外線です。1800年のハーシェルの発表を聞いて、それならば反対側、紫色の外側にも異なる種類の光があるはずだと考えたヨハン・ヴィルヘルム・リッターによって、翌1801年、紫外線が発見されました。

天文学の世界では、1856年にチャールズ・ピアッツィ・スマイスが月の光の中に赤外線を検出しました。天体から目には見えない光が届いている、2つめの窓が開いた瞬間です。

現代では、紫外線も赤外線もともに、宇宙を観測する窓としてさまざまな研究に用いられています。温度が高い天体は紫外線で明るく輝くため、重い星が生まれる場所を観察するのに適しています。一方、赤外線の観測は、比較的温度の低い可視光では観察の難しいちりやガスが観測できます。

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