第7回試験問題へのご質問に対する回答No.3
2017.12.8
1級問1について、御質問を頂戴しました。
委員との間で、質問と回答のやりとりがありましたので、
その経過も掲載し、回答いたします。
１級問１は全員正解問題といたします。
■1級・問1
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質問 1回目
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問1について、「M81の中心部で中性水素の21ｃｍ線が観測されないのはなぜか？」の問いに対し、ほとんどが水素分子で21ｃｍ線を出さないため、との回答でした。
解説に、星間ガスは密度が高くなると分子雲になるので中性水素原子の21ｃｍ線を出さないと考えられている、とありましたが、
①テキスト初版第1刷P201「楕円銀河、渦巻銀河のバルジ部分、そして棒渦巻銀河のバーを構成する星は、一般に赤色巨星と暗い主系列星であり、銀河の年齢と同じくらい古い星である。それに対し、銀河円盤は青く明るい星を含む多くの恒星と多量の星間物質（水素を主体とするガスと塵）からなっていて、星の形成が継続的に行われている領域である」の記述からすると、渦巻銀河のバルジ部分には、星間物質があるとは理解していませんでした。回答と解説からは、バルジ部分は高密度の分子雲があると読めますが、どちらが正しいのでしょうか？
②銀河中心部は種族Ⅱの星が多く高齢である、とありましたが、そこに密度が高い分子雲があるというのがちぐはぐに感じます。高密度の分子雲があれば、そこから星が生まれる確率が高いような気がします。バルジは本当に分子雲に満たされているのでしょうか？
③分子雲が星の近傍に漂っていれば、当然恒星の放射によりエネルギーが与えられ、高い運動エネルギーにより原子に乖離し、中性水素となるものが一定割合であるのではないかと思います。そうすれば、21ｃｍ線も出てくるような気がします。また、もし、全体としてバルジは分子雲が満たしているが、局所的に恒星の周りには分子雲がない、ということなら、そこは粒子密度の低い星間ガスが満たしているはずで、21ｃｍ線が出てきそう。（原文より一部抜粋改変）
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回答1
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まず、①で述べられているバルジとは、ご指摘のように、渦巻銀河の中心部にあり、球状、または楕円体状に膨らんだ部分で、ご指摘のように多くの古い星から構成されています。また、②で述べられているように、種族Ⅱの星が大部分です。一方銀河円盤は、薄い円盤状に星が分布し、種族Ⅰの星が大部分で、星間ガスも多く含まれており、星の形成も活発です。そして、渦巻銀河は、この2つが重なって構成されていることを、まずご理解ください。
次に、ガスの分布ですが、銀河円盤内であっても、銀河円盤の恒星の分布の厚さ（～1 kpc）に比べてきわめて薄く、恒星の分布のおよそ1/10ほど（～100 pc）しかありません。そしてそのガス円盤はバルジの内部を通って銀河中心付近まで続いています。バルジは立体的な構造をしており、そのほとんどの体積中にはガスは含まれていませんが、銀河円盤の赤道面付近には、バルジの中でもガスは存在します。
次に、星の形成が盛んなのは、銀河円盤内の渦状腕の部分です。ここでは銀河衝撃波が発生し、ガスが急激に圧縮され、星が生まれやすくなっていると考えられています。
分子雲が存在するだけでは、活発な星形成にはなりません。ガスを圧縮する何らかのきっかけが必要なのです。それが渦状腕では、銀河衝撃波と呼ばれるガスを圧縮する機構が働いていると考えられています（詳しくは、裳華房『活動する宇宙』6章などを参照）。渦状腕はバルジの部分から外に伸びていることが多いので、活発な星形成領域は銀河円盤部になります。
③についてです。中性水素の21 cm線は、水素が基底状態（電子のエネルギーが最も低い状態）にあるときに放射される電波です（『超・宇宙を解く』43節参照）。したがって、放射によるエネルギーが与えられた水素からは放射されません。水素がエネルギーをもらって電離すると、電離水素（HⅡ）となり、Hα線など輝線スペクトルを放射し、散光星雲として輝くことになります。
参考までに、ガスの分布を示すデータを添付します。渦巻銀河M101、M51、それに銀河系のものです。M81については、COの良いデータが見つからなかったので、他のデータで代用させていただきます。光と電波の画像は、同じ銀河では同じスケールにしてあります。
M101で右側の画像が小さいのは、中心部のデータしかないためです。銀河系のグラフは、水素分子と中性水素の表面密度（銀河面に垂直な方向にガスを足し合わせた単位面あたりのガスの量）をあらわしています。縦のスケールは対数スケールなので、1目盛りで値が10倍違います。一番上のなめらかな線は星を含めた表面密度になります。銀河中心に近い部分では、中性水素のおよそ10倍の水素分子があることが示されています。これらのデータを見ていただければ、中性水素は中心部で少なくなっており、分子雲は中心部の方が多いことがおわかりいただけると思います。分子雲が多ければ、当然その中では水素は水素分子になっていると考えられます。
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質問 2回目
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先日いただいたメールにありました、「そしてそのガス円盤はバルジの内部を通って銀河中心付近まで続いています。バルジは立体的な構造をしており、そのほとんどの体積中にはガスは含まれていませんが、銀河円盤の赤道面付近には、バルジの中でもガスは存在します。」について、M101、M51、天の川銀河などいろいろな銀河の事例をお示しいただいてありがとうございます。
ただ、両銀河とも、中性水素21cm線が中心付近にも分布しており、M81の分布とは異なりますね。
結論としては、ご紹介いただいたM51において、高密度分子雲がある中でも中性水素の21ｃｍが出ていることが読み取れるので、一級試験1問目「M81中心部から21cmが観測されないのはなぜ」の回答「ほとんどが水素分子で、21cm線の電波を出さないため」はやはり誤っているように思います。
M81の中心部にガスがあったとしたら、密度が高まり分子雲になったとしても、M51のように中性水素の21ｃｍも観測できるのではないでしょうか？
M81の中心部から21cmが観測されないのは、ガスが少ないからと考える方が自然ではないでしょうか？
同様の画像（M81の、HCN、COなどの画像）があれば理解できるのですが。
なお、
①M101では、中性水素の21ｃｍ線がバルジ内にも見えており、ほかにCOガスも見えています。ただ、中性水素の分布が内側に行けば少し薄くなっており、COの分布と異なって見えます。これは、中心に近づけば密度があがり、中性水素が水素分子ガスになったということでしょうか？一方で、バルジの剛体回転はバルジ内の密度がほぼ一定だから、という説明とそぐわないような気がしています。
②M51は、銀河の衝突により大量の水素供給があって、活動が活発になった銀河でしょうか？ガス成分が一気に銀河に流れ込んで、中心付近までいきわたったような雰囲気ですね。
③銀河系（我々の天の川銀河）のグラフでは、中心に向かってσHⅠ+σH2の表面密度が一定で、σHⅠ表面密度が下がっていれば、中性水素が水素分子に代わっていると理解できますが、σHⅠ+σH2もσHⅠも下がっているので、本当に水素分子に代わっているのでしょうか？両ガスの表面密度が、半径5kpcより内側では明らかに減っていきます。これはなぜ減るのでしょうか？運動性の高いガスは、より引力の強い内側により集まっていそうな気がするのですが、5kpcの内と外で何が違うのでしょうか。5kpcの内側あたりがいわゆるバルジ付近と思われますが、ガスの消費量がバルジ内外で大きく違ったりするんでしょうか？
ガスの供給で、種族Ⅱの星が種族Ⅰの星になったりするんでしょうか？ガスがともにあるから種族Ⅰ、ガスの供給が途絶えてしまうと種族Ⅱになるような気がします。
銀河は学べば学ぶほどわかりません。中途半端に学ぶからかとも思いますので、もう少し突っ込んで勉強してみたいと思います。（原文より一部抜粋改変）
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回答2
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ご指摘、ありがとうございました。
おっしゃるとおりのようです。M81の分子雲のデータを調べたのですが、M51などのように分子雲が多く存在するというデータは見つかりませんでした。アンドロメダ銀河（M31)もM81のように、21cm線が中心部で抜けていますが、やはり中心部には濃い分子雲はないようです。
一般に、渦巻銀河の21cm線はバルジの外側の銀河円盤部分で最も強く、中心部に行くにしたがって弱くなり傾向があり、それは水素分子になっていることが多いので、M81も同様と思いこみ、問題にしてしまったようです。M81では、そもそもガスが少ないというのが、21cmが抜けている理由ということによるようです。
では、なぜガスがなくなったのかということについては、次のように解釈しています。バルジが形成されたある時期に、星は大量に形成されましたが、ガスのほとんどが星になるということはなく、一定の割合で星になれなかったガスが残ります。
これは、星形成領域の周囲に見られる星雲の存在でも、そのことがわかります。しかし、星が進化し、超新星爆発などの活動により、残ったガスの大部分が銀河風となって、その領域から外部に放出され、ガスが少なくなってしまったという解釈です。
このような状況は、矮小楕円銀河などでガスが少ないという理由として考えられています。
このようなことから③の「全てのガスが星になってしまった」ということも、必ずしも正解ではないと考えています。
なぜ、M81やM31などのようにガスが少なくなってしまった銀河と、M51や銀河系など、中心部にも分子雲が存在する銀河に分かれるのかについては、その銀河の進化課程の違いでこのように分かれてしまったのではないかと思われますが、よくわかっていないと思われます。
したがいまして、この問題は正解がない不適切な問題であったとして、全員正解といたします。
あと、いくつかの質問にお答えしておきます。
> なお、①M101では、中性水素の21ｃｍ線がバルジ内にも見えており、
> ほかにCOガスも見えています。ただ、中性水素の分布が内側に行けば
> 少し薄くなっており、COの分布と異なって見えます。これは、中心に
> 近づけば密度があがり、中性水素が水素分子ガスになったということ
> でしょうか？
そのようなことだと思います。
ガスの大部分は水素なので（ガスの成分は、質量比で水素がおよそ3/4、ヘリウムが1/4、残りの元素を合わせてもおよそ2％程度）、COの分子は水素に比べると極端に少ないです。ですので、COの観測される部分には水素がたくさん存在します。
> 一方で、バルジの剛体回転はバルジ内の密度がほぼ一定だから、
> という説明とそぐわないような気がしています。
この剛体回転は、基本的に星の重力によるものです。
ガスの全質量は渦巻銀河では、星の質量のおよそ1/10程度で、ガスの寄与はあったとしてもごくわずかです。バルジは、星がほぼ球状に等密度に分布していることを表しています。したがって剛体回転とガスの分布には、矛盾はありません。
> ②M51は、銀河の衝突により大量の水素供給があって、活動が活発に
> なった銀河でしょうか？
確かに、衝突直後の銀河のようですが、大量の水素供給があったとは思えません。
銀河全体にガスが行きわたる時間がありません。渦巻状にガスが部分布しているので、もともとM51のもっていたガスと考えるのが普通です。
> ガス成分が一気に銀河に流れ込んで、中心付近までいきわたったような
> 雰囲気ですね。
銀河回転の衝突では、お互いのガスが衝突すると、そこで大規模な星形成が起こります。また、ガスは衝突によって速度が失われてしまいますが、星はすり抜けるので、ガスの濃い部分と星の分布がずれてしまうこともあります。M51は、渦状腕にガスが分布し、そこで星形成が活発に行われている典型的な渦巻銀河と考えられています。
> ③銀河系（我々の天の川銀河）のグラフでは、中心に向かってσHⅠ+σH2の
> 表面密度が一定で、σHⅠ表面密度が下がっていれば、中性水素が水素分子に
> 代わっていると理解できますが、σHⅠ+σH2もσHⅠも下がっているので、
> 本当に水素分子に代わっているのでしょうか？
σHⅠ+σH2 と σHⅠ の差が、σH2になります。
したがって、差があるということは、その差の部分がH2になっているということです。
ただ、お示しした図は、縦軸が対数スケールでとってあるので（log σ でプロットしてある）、注意が必要です。
例えば、5 kpc 付近では、log(σHⅠ+σH2)～1、log(σHⅠ)～0.3くらいになっていますが、σの値にもどせば、σHⅠ+σH2～10、 σHⅠ～2くらいになります。
したがって、HⅠ～2に対してσH2～8となり、多くがH2になっているということです。
> 両ガスの表面密度が、半径5kpcより内側では明らかに減っていきます。
> これはなぜ減るのでしょうか？
σHⅠ+σH2が少しさがっているのは、おっしゃるように、5Kpcの部分でガスの密度がピークになり、その内側ではガスが少し少なくなっていることを意味します。
> 運動性の高いガスは、より引力の強い内側により集まっていそうな気がするのですが、
> 5kpcの内と外で何が違うのでしょうか。
「運動性の高いガス」の意味がわかりません。ただ、引力（銀河の重力）の強い部分にあるガスは、その重力に見合った速度で銀河回転をしているハズです。これはガスだけでなく、星も同じです。
> 5kpcの内側あたりがいわゆるバルジ付近と思われますが、ガスの消費量がバルジ内外で
> 大きく違ったりするんでしょうか？
銀河形成時（バルジ形成時）には、球状に分布していたガスから星が大量に形成されたと思われます。これは銀河初期に生まれた星で、種族Ⅱの星です。ただ、すべてのガスが星になるわけではありません。残ったガスは、徐々に銀河面に集まり、銀河のガス円盤をつくります。その中で星が生まれます。これが種族Ⅰの星です。種族Ⅱの星は、銀河形成時で、まだガスが球状にひろがっていたときに生まれた星、種族Ⅰの星は、その後、ガス円盤が形成されたあとに生まれた星ということになります。ガスの消費量がバルジ内外で大きく違ったりすることはないと思いますが、銀河の進化の中で、時間的に大きく違った時期はあると思います。現在では、渦巻部分で盛んに星がつくられていますので、そこのガス消費量が多いと思います。
> ガスの供給で、種族Ⅱの星が種族Ⅰの星になったりするんでしょうか？
ガスの供給で種族Ⅱの星が種族Ⅰの星になることはありません。
ただ、星の進化の段階で、種族Ⅱの星が超新星爆発や惑星状星雲などによってガスを宇宙空間にまき散らせば、そのガスから次の世代の星（種族Ⅰの星）が生まれることになります。種族Ⅰの星は、過去に超新星爆発などで重元素（水素、ヘリウム以外の元素）が増えたガスから生まれた星です。
> ガスがともにあるから種族Ⅰ、ガスの供給が途絶えてしまうと種族Ⅱになるような気が
> します。
そのようなことはありません。種族Ⅰの星と種族Ⅱの星は、何で区別されているかといえば、星を構成するガスの中の重元素量です。太陽と同程度（約2％）の星は種族Ⅰ、極端に少ない（たとえば太陽の1/10程度以下）の星は種族Ⅱの星になります。宇宙初期には水素とヘリウムしかなかったので、初期の星は重元素は極端に少ないです。その後、星の進化で、星の内部で重元素が合成され、超新星爆発で宇宙空間にまき散らされ、重元素が徐々に増えてきて、そのようなガスから星が生まれたのが種族Ⅰの星となります。生まれた時期が違うと考えればよいと思います。
以上です。
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