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2025-01-05 06:06:00
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人類はその誕生以来、頭を上げて空で何が起こっているのかを理解しようとしてきました。夜の闇に瞬く星は人々を魅了します。
歴史を通じて、星は時には方向を見つけるために、時には時間を決定するために使用されてきました。星は神や女神の物語を語り、詩人や画家にインスピレーションを与えました。 人間と星との関係は 1925 年に劇的な変化を遂げました。当時、ある大学院生が星の「物質」を発見し、今日私たちが天体物理学として知っている科学分野の基礎を築きました。
その生徒の名前 セシリア・ペインだった。わずか24歳のペインは、星の構造は地球とは似ておらず、これらの輝く物体は、宇宙で最も軽くて最も単純な2つの元素である水素とヘリウムで構成される火の玉であることを明らかにした。
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「これは人類にとって非常に基本的な情報です」とマサチューセッツ工科大学の天体物理学者アンナ・フレベル氏はナショナル ジオグラフィックに語った。
しかし、当時の一般的なアプローチに疑問を投げかけた多くの仮説や発見と同様に、ペインの論文は疑問視され、論争の対象となった。この理論を提唱し、ほぼ男性ばかりだった当時の現状に反対したのが若い女性だったという事実が、緊張感をさらに高めた。
ペインの修士論文は、現在でも図書館の天体物理学部門で重要な位置を占めています。今日、科学者たちはこの 200 ページ余りの著作を、天文学に関する著作の傑作であり、断片をまとめた基本的な著作であるとみなしています。
ワイオミング大学で恒星天体物理学を研究するメリディス・ジョイス氏は、ペイン氏の論文について「すべての詳細が考慮されていた。非常に正確で、本当に勇敢な文章だった」と述べた。
スターリサーチは4世紀前に始まりました
1600 年代初頭に、人々は最初の望遠鏡を開発し、使い始めました。宇宙観察者は、夜空に無数の星があり、雲のような星雲に集まっていることに気づきました。
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1800 年代初頭、観察者は太陽光を虹の色に屈折させるプリズムを使い始めました。同じ世紀に、天文学者は望遠鏡のレンズと検出器の間にプリズムを置くことで、星からの光を記録できることを発見しました。プリズムは入ってくる星の光を屈折させ、光の屈折から生じる色が乳剤でコーティングされた写真用ガラス板に現れました。光の光子が乳剤と相互作用すると、暗い跡が残ります。プレート上の黒い跡や隙間を観察することで、遠くの星の特徴と考えられる光の色が検出されました。
1800 年代半ば、研究者は、実験室でガス要素を加熱すると、逆ファン パターン (明るい色の線で区切られた中空の領域) が生成されることを発見しました。物理学者は、これらの明るい線を使用してガスの化学的性質を理解できることに気づきました。
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地球の地殻の物質は、星で見られるものと同様のパターンを示しました。したがって、天文学者は、太陽と他のすべての星は地球と同じ物質で構成されていると結論付けました。ジョイス 「宇宙の他の何かが、地球上で観察したものと異なっていると信じる理由はありませんでした。」 彼は言いました。
セシリア・ペインとは誰ですか?
ペインは、1900 年 5 月 10 日にイギリスのウェンドーバーで生まれました。彼の自伝によると、彼は10代の頃に科学と音楽を学びました。 その後、1919 年に獲得した奨学金を利用して、ケンブリッジ大学ニューナム大学に進学しました。
当初は植物学を学んでいましたが、1年生の途中で物理学科に転向しました。 ペインは、原子物理学の分野で 2 人の非常に重要な人物、すべての原子が正に帯電した原子核を持っていることを発見したアーネスト・ラザフォードと、この正の原子核の周囲での電子の挙動を研究したニールス・ボーアから教訓を得ました。
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同年末、ペインは偶然にもトリニティ・カレッジでアーサー・エディントンの講義を受講した。エディントンはスピーチの中で、1919 年の皆既日食の際の実験結果について説明しました。エディントンは、太陽が星光を引き寄せる様子と光路の変化を見て星の位置をイメージし、それらの位置が変化しているのを見ました。会議中、エディントンは当時まだ非常に新しいアルバート・アインシュタインの一般相対性理論も確認し、ペインはこれをすべて聞いて天文学に夢中になりました。
1923 年に大学院教育を受けるために米国に渡ったペインは、ハーバード大学天文台とマサチューセッツ州ケンブリッジのラドクリフ大学で研究を続けました。天文台の 天文学 写真のキュレーター、トム・バーンズ氏は「彼女は女性が天文学で成功できる唯一の場所に身を投じた」と語った。
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ペインが天文台で働き始めたとき、天文学者も学生も全員男性でした。スタッフには10人から20人の女性のグループがいましたが、彼らは「計算者」、つまり計算を扱う研究室の助手でした。彼らの使命は、星の光のパターンを探し、目に見える星の変化を記録することでした。ペインさんは大学院研究員だったため、他の女性とは異なる立場にあった。
彼の指導者であるハーロー・シャプリーは当初、ペインにヘンリエッタ・スワン・リービットという名前の計算者の仕事を続けるように頼んだ。リービットは、いくつかの星の光の変化を利用して距離を測定できることを発見しました。 しかし、ペインはレビットのプロジェクトには興味がなかった。 「彼は長年手つかずだった分光プレートに焦点を当てたかったのです」とバーンズ氏は言う。
さらに、ハーバード大学の倉庫にある乳剤プレートの数は、世界の他のどの機関よりも多かった。別の計算機であるアニー ジャンプ キャノンは、星々のサインを見て星を分類し始めました。 ペインはこの問題に取り組んでいます。彼はニューナムで受けた原子の内部の仕組みについての教育と、物理学や化学の現在の理論を組み合わせて星を理解したいと考えていました。
星の物理学
当時、物理学の研究は加速していました。発見と科学理論は世界中を駆け巡りました。
研究者たちは分光プレート上のパターンの源を発見しました。原子核の周りを高速で移動する原子のエネルギー準位が変化し、この作用により光が放出または吸収されます。その光の色は原子によって異なります。たとえば、炭素原子内の電子が放出または吸収する光の量は、その位置に応じて常に同じでした。数年間の実験を通じて、ほとんどの原子要素について、ほとんどのエネルギーが電子を異なるレベルに送ることが明らかになりました。
科学者たちは、星の光のスペクトルでこれらの特徴的な線を探すことによって、プレートの欠けている色やギャップが原子元素と正確に一致することを確認できました。 このようにして、ガスを形成する元素を分離することができます。空の星々は、中心核の核炉から放出されたエネルギーをガスが吸収する箇所に隙間ができていました。
これらの実験室研究の結果は、中性元素に焦点を当てました。しかし、星は非常に高温で加圧されたガスで構成されており、当時はこの非常に高い温度と圧力がさまざまな元素の光のパターンをどのように変化させるのか誰も知りませんでした。
ペイン氏が自伝で述べたように、彼は原子物理学への現在のアプローチとインドの物理学者メグナド・サハ氏の「賢いアイデア」を組み合わせた。この分野では最近、さまざまな温度と密度でガスがどのように挙動するか、特に極端な環境でガスの電子がどのように移動するかを解明しました。
星の高温と圧力に動機付けられ、ペインはハーバード大学が保有するプレートの星の光の扇形の線の強度を計算しました。 「異なるラインには、常に互いに比較して特定の強さがあります」とフレベル氏は言います。この点に注目すれば、ペインは星の中の元素の量を計算できるようになる。
ペインの研究は、化学元素の中で最も軽い水素とヘリウムが星の中に大量に存在する一方で、より重い元素は非常にまれであることを示しました。ペイン氏はまた、線の見かけの形状を与えている原因を特定しました。ガス状物質の内部圧力と温度が光の特徴に影響を与えました。
アイオワ州立大学で恒星の天体物理学を研究するスティーブン・カワラー氏は、「これらの形状を理解することは、ファンを使用し、大気の力学を理解する上で不可欠であった」と述べた。カワラー氏は、ペイン氏は極端な温度や温度だけでなく、星の内部で物理的に何が起こっているのかを理解するためにも吸収線を使用したと付け加えた。
「スターはすべてだ」
ペインは 1925 年に論文を完成させ、ラドクリフ大学から博士号を授与されました。同時代の人々は当初、ペインの研究に懐疑的でした。当時の主要な恒星天文学者の一人であるヘンリー・ノリス・ラッセルは、ペインの最も厳しい批評家の一人でした。 ペインはこれらの批判を論文の中で捧げ、水素とヘリウムについて「星の大気中にこれらの元素が大量に存在することは、ほぼ確実に非現実的である」と書いた。
カワラー氏は、論文の残りの部分は自信に満ちているが、この声明は「非常に刺激的な結論を一時的に霧散させるもの」であると指摘した。実際、わずか 4 年後、ラッセルはペインの発見を確認しました。
研究で星の光を使って最古の星を探したフレーベル氏は、「この研究は、恒星分光法で何が測定されるのかを理解する始まりとなった」と述べた。 ペインの発見は、将来の研究者が、星の表面の下で一生を通して何が起こっているのか、星の中心で生成されたエネルギーがどのように外層に向かって移動するのか、なぜ星が時々爆発したり、時には暗闇に消えたりするのかを理解する道を切り開きました。
ジョイス氏は「星がすべてだ」と述べ、「宇宙について私たちが知っている他のことはすべて星から得られる」と付け加えた。
#私たちの多くはその名前さえ知りませんがちょうど #世紀前に人類の宇宙に対する見方を変えました彼はピースを組み合わせて歴史を作りました…スターがすべて