左側で恒星が輝き、そこから色とりどりの波が次々に広がっていきます——ピンク、シアン、紫——それぞれに固有の遅れがあるので、円が重なることは決してありません。その上では二つの星雲がくすぶりながらゆっくりと形を変え、周りでは周期を互いに通約できないように選んだ星々がまたたいています。下の目盛りでは恒星からシアンの印が走り出し、ちょうど1光年の目盛りに届くと、そこでピンクの線が待っています。これが測定そのものです——光が1年に進む道のりを、定規の上に写し取ったものです。中央の文字はどの言語でも同じで、各言語の名前はプレートの下に書かれています。
SI 外の単位 · 天文学 · 長さ
光年、ly
光が目盛りを刻む定規
長さの単位 · 光が真空中をユリウス年の1年間に進む道のり · 9 460 730 472 580 800 m
この言葉を考え出したのは天文学者ではなく科学の啓蒙家で、専門家は最初は顔をしかめました。距離を時間で、それも暦ごとに数え方の違う「年」で測るなど、ばかげていると思えたのです。それでも分かりやすさが勝ちました。「いちばん近い恒星まで光は4年かかる」という一文は、手紙を待ったことのある人なら誰でも分かりますが、何百兆キロメートルという数字は想像力に何も語りかけないからです。
この単位の利点は、距離と一緒に像の年齢を教えてくれることです。プロキシマを見るとき、私たちは4年と4分の1前の姿を見ており、アンドロメダ星雲を見るときには、地球上にまだ現生人類が一人も現れていなかった頃の姿を見ています。この意味で望遠鏡は拡大鏡というより過去を映す機械であり、しかも空のさまざまな部分をさまざまな時代で同時に映しているのです。
この単位の正確な値は測定からではなく、二つの取り決めから来ています。真空中の光の速さは毎秒ちょうど何メートルと定められており、そのために使う年はユリウス年、ちょうど3155万7600秒です。この二つを掛け合わせれば、光年の長さが最後の桁まで、不確かさなしに得られます。不確かさが生じるのはその後、この定規を実際の空に当てたときです。
国際的な記号は小文字のラテン文字 ly の二文字で、ピリオドも間の空白もつけません。日本語では「光年」と書きますが、表やグラフの見出しではまさに ly を使います。そうすればどの国でも読めるからです。倍量は通常の接頭語でつくります。kly、Mly、Gly——千、百万、十億光年です。
光年は距離であり、名前に「年」が入っていても変わりません。「12光年のあいだ飛んだ」と言うのは、「時速12キロメートルのあいだ歩いた」と言うのと同じくらいおかしな言い方です。3と4分の1光年を少し超えるパーセクとも、時間の長さとしての年とも混同してはいけません。定義で使われているのは、ちょうど365と4分の1日のユリウス年であって、太陽年でも暦年でもありません。
01 · 定義
光が1年に進む道のり · 像の年齢 · 宇宙船の航行時間光年とは、光が真空中をユリウス年の1年間、つまり1日8万6400秒の365と4分の1日のあいだに進む距離です。定義には二つの量が含まれ、どちらも正確に定められているので、その積もまた正確です。ここには原器も測定も補正もありません——あるのは、取り決めで採用された二つの数の掛け算だけです。
定義にある「真空中」という言葉は飾りではありません。空気中やガラスの中、星間ガスの中では光はもっと遅く進みます。もし単位を実際の光線で定義したら、その長さは光線が空のどの部分を通ったかで変わってしまいます。天文学的な真空はほぼ完全ですが、物質による補正は電波ではなお無視できず、だからこそ定義には真空中の速さがはっきりと書き込まれているのです。
二つ目の細かい点は、どの年を使うかです。太陽年はユリウス年より約11分短く、暦年は長さがたびたび変わり、恒星年はもっと長いのです。差は最終的に百万分の一の桁になりますが、天文学にとっては小さくありません。国際天文学連合がユリウス年を選んだのは、まさにその一定さのためです。地球の自転にも太陽のまわりの公転にも結びついていないので、時とともに変わらないのです。
最後に、この量にはメートルにもパーセクにもない性質があります。私たちがどれだけ遅れているかを、すぐに教えてくれるのです。光年で表した距離は像の年齢であり、どの星図も、さまざまな時代を一枚の絵に縫い合わせた地図だということになります。専門家がこの単位を我慢しているのはこの性質のためですが、論文ではパーセクを好みます。パーセクは時間からではなく、直接測った角度から導かれるからです。
誰を見て、誰のもとへたどり着くか
場面の上半分では天体が輝き、そこから波が私たちに向かってきます。波がまだ途中にあるあいだ、私たちが見ているのは恒星ではなくその過去であり、接眼レンズのそばの表示は光が出発した年を示しています。距離のスライダーは天体を太陽系の縁から隣の銀河まで動かし、それとともに私たちが見ている時代も変わります。下半分では宇宙船が同じ天体に向かって飛んでおり、二つの時計を持っています。紫の時計は地球に残り、ピンクの時計は船内で進みます。二つ目のスライダーで宇宙船を加速させると、光速に近づくほど二つの読みは離れていき、ついには地球から見れば何世紀もかかる道のりが、乗組員にとっては数年に縮みます。どう設定しても宇宙船が光を追い越せないことに注目してください。ピンクの印はいつもシアンの印の後ろにあります。
02 · 換算
距離 · 進んでいる光 · 光速に近い飛行一つの距離を六つの形で
最初のタブは入力した距離をほかの単位に換算します——パーセクや天文単位から、光日やふつうのキロメートルまで。二つ目は、よく知られた天体からどの時代の光が届いているかを示します。三つ目は飛行を計算します。さまざまな速さで、地球の時計では何年、宇宙船の時計では何年かかるかです。
覚えておく目安：1パーセクは3光年を少し超え、1光年は6万3000天文単位を少し超え、太陽の光が私たちに届くまで8分あまりかかります。
単位そのものは正確ですが、それで表された距離がいつも正確だとは限りません。近くの恒星までは百分率の小数の精度で分かっていますが、明るい超巨星では数十パーセントのばらつきがあり、遠い銀河の距離は選んだ膨張モデルにも左右されます。参考書に載っている光年の数は、ほとんどいつも、一般向けの説明では省かれている不確かさを抱えています。
| 量 | 値 | 注記 |
|---|---|---|
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · 測定器
レーザー測距 · 位置天文衛星 · セファイド · 超新星一段一段が前の段の上に立つはしご
定規が正直な唯一の場合
月に残されたコーナーリフレクターには今でもレーザーパルスが打ち込まれ、戻ってきた光子がとらえられます。何発かに一個しか戻ってきません。距離は往復時間からそのまま出てくるので、文字どおり光秒で測られ、精度はセンチメートルに達します。この方法が使えるのは太陽系の中だけで、その先には反射器を置く人がいないため、定規は間接的な方法の連鎖に席を譲ります。
定規の代わりに揺れ
いちばん近い恒星は幾何学的に測ります。半年のあいだに観測者は地球とともに太陽までの距離の2倍だけ移動し、近くの恒星は遠くの星に対して少しずれます。このずれの角度は1秒角の何分の一かで、その逆数がすぐにパーセクでの距離を与え、それを光年に換算します。現代の位置天文衛星はこうして10億個を超える恒星を測り、直接的な方法の地平を数千光年まで押し広げました。
自分の明るさを自ら告げる星
セファイド変光星は脈動しており、脈動の周期は本当の光度と固く結びついています。ストップウォッチで周期を知れば、天文学者はその星が実際にどれほど明るいかが分かり、見かけの暗さと比べれば距離が得られます。まさにこの方法で前世紀の1920年代に、アンドロメダ星雲が私たちの銀河のはるか外にあることが分かり、世界の大きさは一夜にして何倍にもなりました。
光年が便利でなくなるところ
遠い距離では、光度がほぼそろった特定の種類の超新星の爆発と、スペクトル線の赤方偏移が使われます。しかしここで単位は困難にぶつかります。光が進んでいるあいだに空間が膨張したため、「距離」がいくつもの異なる量に分かれてしまうのです——光がどれだけの時間飛んだかと、天体がいまどれだけ遠くにあるか。そのため宇宙論では赤方偏移で語ることを好み、光年は一般向けの説明に任せています。
05 · 表記の規則
ピリオドなしの ly · 倍量の接頭語 · これは長さ名前には年、中身はメートル
この単位にまつわる誤りのほとんどは、その名前から来ています。「年」という言葉が時間を引きずり込み、距離を時間で、速さをキロメートルで測るような言い回しが文章にまぎれ込むのです。
1つ目の書き方は距離の代わりに時間の長さを置いているので意味をなしません。「12キログラムの道」と言うようなものです。2つ目と4つ目は記号の形に反しています。小文字二文字で、ピリオドも空白もつけません。3つ目はユリウス年の代わりに暦年を使い、単位の値を6桁目で変えてしまいます。5つ目は距離と年齢を取り違えています。光は4年旅をしましたが、星は何十億年も存在しています。6つ目はまさに、ほかのすべての誤りが生まれる元の誤りで、残念ながらかなり真面目な図の説明にさえ見られます。
06 · 隣り合う単位
パーセク · 天文単位 · 光秒隣り合う三つの単位は同じ距離の範囲を分け合っており、違うのは物差しをどこから取ったかです。パーセクは角度、天文単位は地球の軌道、光年と光秒は道のりにかかる時間です。
専門論文の単位です。時間からではなく、測った角度から直接導かれるので、年の長さについての外の取り決めを持ち込む必要がありません。
太陽系の内輪の物差しです。地球から太陽までの距離で、正確なメートル数として定められています。海王星の軌道より先では、もう使いにくくなります。
同じ系統の妹分で、通信に便利です。月まで光は1秒と4分の1かかり、月との会話はもう目立つ間を置かずには成り立ちません。
Simetrium のパスポートでは、お隣に パーセクが並び、二つの単位の土台には 同じ光の速さがあります。地上の通信回線で信号が伝わる時間も、これで測られます。
07 · 歴史の部
アーカイブ · 1676 → 1838 → 1851 → 1984光の遅れが定規になるまで
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棒の高さは、時代ごとに直接の幾何学的測定でどこまで届いたかを示し、白い印がその道のりを最後まで進みます。飛躍のたびに結びついているのが新しい理論ではなく新しい装置であることに注目してください。最初はヘリオメーター、次に写真乾板、そして大気の外に打ち上げた衛星です。
不正確な距離のための正確な単位
この単位の不思議なところは、それ自体は完全に正確に分かっているのに、それで測ったものはすべて近似でしか分かっていないことです。正確さはただで手に入りました。メートルが光の速さで定義された瞬間から光の速さは測られなくなり、ユリウス年はちょうど3155万秒と半分と取り決められたので、正確な二つの数の積は、三つ目の正確な数にしかなりようがないのです。
不確かさが現れるのは次の段階、定規を空に当てたときです。いちばん近い恒星までの距離は百分率の百分の一の精度で分かっていますが、ベテルギウスのような明るい超巨星になると、見積もりのばらつきはもう数十パーセントに達します。こうした星では表面そのものがぼやけていて、視差を揺らぐ像から取り出さなければならないからです。銀河規模の距離になると間接的な方法の連鎖が加わり、その一段一段が、前の段から受け継いだ不確かさに自分の不確かさを上乗せします。
ここから良い作法が生まれます。光年の数は、その不確かさと、それを得た方法とあわせて示すべきです。視差から得た「2500光年」と赤方偏移から得た同じ数とは、性質の違う量だからです。単位そのものには何の罪もありません。定義されたとおりのものであり、不確かさはすべて定規からではなく、それで測る対象から来ているのです。
量のカタログ
天文学と距離SI 基本単位
メートルと秒を強調——光年はこの二つでできているどこを見て、何が見えるか
光が出発した年は今年から数えている| 天体 | 距離 | パーセクで | 進んでいる光 | 光の出発 | その頃起きていたこと |
|---|---|---|---|---|---|
| {name} | {ly} | {pc} | {wait} | {when} | {era} |
最後の列は、この単位を支持するいちばんの理由です。距離を日付に変え、観測を、さまざまな世紀に出された手紙を読むことに似たものにしてくれるのです。ただし、遠い天体についてはこれらの日付は取り決めにすぎないことを覚えておきましょう。光が進んでいるあいだに空間は膨張してしまい、「何年飛んだか」はもはや「天体がいまどれだけ遠いか」と一致しないのです。