星の明るさが何日かごとに増減していたら、目の前を別の天体が通っているのでしょうか。そういう場合もありますが、星自身が膨張と収縮を繰り返し、放つ光が変わる場合もあります。ケフェイド変光星はその代表です。「明るさが変わった」という観測結果と、変化を起こした原因を分けて考えます。
星自身の変化と、手前の遮りを区別する
食連星では、互いの周りを回る星が重なることで、地球から見える光の量が変わります。ケフェイドでは、星自身の脈動に伴って大きさや表面の温度などが変化し、明るさが周期的に変わります。明暗の山が続くという共通点があっても、同じ仕組みのグラフとは限りません。
星が大きく見える写真と小さく見える写真を単に交互に並べれば、脈動の証拠になるわけでもありません。望遠鏡の倍率、ピント、画像の表示条件で、写った光の広がりは変わります。ここで扱うのは同じ測定方法で得た明るさの記録です。横軸の日付と、縦軸が何を表すかを読んでから周期を探しましょう。
天文資料の明るさには等級が使われることもあり、その場合は小さな数ほど明るいという目盛りになります。本稿の例題は混乱を避けるため、上へ行くほど明るい任意単位の光の量を使います。実際の観測グラフに、この上下関係を確かめず持ち込んではいけません。
山の個数ではなく、同じ状態へ戻る間隔
一番明るい時刻が等間隔に並ぶなら、その間隔は周期を調べる手がかりになります。山が四つ描かれていても、最初から最後までに含まれる間隔は三つです。一番暗い時刻どうしを比べても、同じ繰り返しを追えていれば同じ周期になるはずです。
ただし、明るさの上がり方と下がり方が対称とは限りません。明るい山から暗い谷までが周期の半分だと、見た目だけで決めないようにします。次の同じ形まで一組をたどることが基本です。曇りで観測できなかった日があれば、その部分は光がゼロだったのではなく、データが欠けています。
NASAが公開する変光星V1の観測例では、31.4日という周期が示されています。これは実在の一つの星の値です。ケフェイドがみんな31.4日で変化するという暗記事項ではありません。以下は周期の読み取りを練習するために作った、別の仮想記録です。
例題1 四つの山から、一周期を求める
ある変光星の明るさが最大になったのは、観測開始から2日、7日、12日、17日の時点でした。この間、同じ変化を繰り返していたとします。周期と、2日目から17日目までに経過した周期の数を答えてください。
答え・解説： 隣の山まで5日ずつなので周期は5日です。2日目から17日目までの15日間には、三周期が含まれます。山四個で割って15÷4とするのは、端の印と間隔を混ぜています。図に2→7、7→12、12→17という三本の矢印を入れると、数える単位が見えます。
周期から分かる明るさは、地球での見え方とは別
ケフェイドには、種類などをそろえると脈動の周期と本来の明るさの間に関係があるため、距離を調べる手がかりになります。ただし「周期が長い星ほど、地球から必ず明るく見える」とは言えません。遠くにある星は、強く光を出していても暗く見えるからです。星が放つ光と、観測者のところへ届く光を区別します。
星の種類や、途中で光を弱める物質などの補正も実際の測定には必要です。周期だけを読めば、どんな変光星でも同じ式で距離が求まるという意味ではありません。中学受験の資料問題では、関係が表や説明として与えられたら、その適用条件を使って比較する形で考えましょう。
例題2 同じ光を出す二つの星が、違う明るさに見える
同じ種類で同じ周期をもち、本来放つ光の量も同じと分かっている星AとBがあります。途中で光が吸収される影響はなく、距離が2倍になると届く光は4分の1になるとします。Bから届く光がAの4分の1だったとき、Bまでの距離はAの何倍ですか。
答え・解説： 2倍です。明るさが4分の1なので距離が4倍、と直接対応させないこと。問題で与えられた距離の二乗との関係を使います。また、同じ本来の明るさという前提がなければ、Bが弱く光る星である可能性も残り、見かけの光の量だけでは距離を比べられません。
グラフを見て、原因を一つに決める前に
変光の周期を測れたことと、ケフェイドと分類できたことは別です。同じような明暗を示す他の現象もあるため、詳しい観測を合わせて分類します。一枚の教材の図で説明されているモデルを、すべての変光星に広げないようにしてください。
周期を探す際には、同じ山の間隔を測る、観測の空白をつながない、縦軸の単位を確かめる。この三点を実行すると、図から言える範囲を保った説明になります。食連星の二つの減光と比べて原因の違いを、光年と光が届く時間で距離の意味を確認しましょう。