宇宙に透明な物体はある？可視光と赤外線の違い

まずは、かんたんな答えから

宇宙に透明な物体はあるのか、かんたんに言うと

宇宙に、透明な物体はあるのでしょうか。じつは「透明かどうか」は、見る光の種類で変わります。

とても細かいちりは、目に見える光をさえぎります。向こうがわの星は見えなくなります。ところが、もっと波の長い赤外線なら話がちがいます。同じちりを通りぬけられることがあるのです。

つまり、目には真っ暗に見える雲でも、べつの目で見ればすけて見えます。

ただし赤外線なら何でも通るわけではありません。ちり自身も、温かければ光ります。だから何種類もの光でくらべます。

つまり宇宙に「絶対に透明なもの」はありません。どの光で見るかによって、答えが変わるのです。

この記事に出てくるナイトジャー号、CLOCK 14は、STAR WARRANT の物語です。波長依存の透明性、光の散乱と吸収についての説明は、実際の観測と研究にもとづいています。

その影は、恒星を消した。

可視光では、赤い恒星の明るさが68％低下する。

背景の星も、一つずつ黒くなる。

しかし赤外線の画面には、恒星も星も残っていた。

影そのものの熱も、ほとんど見えない。

CLOCK 14は結論を表示する。

VISIBLE OCCULTATION：68％
MID-INFRARED OCCULTATION：3％
THERMAL EMISSION：BELOW EXPECTATION
ENERGY DEFICIT：UNRESOLVED

物体が可視光を吸収したなら、そのエネルギーは温度上昇や赤外線放射として現れるはずだ。

固体が恒星を隠したなら、赤外線でも少なくとも幾何学的な影を作るはずだ。

それなのに影は、光を奪い、熱を残さない。

第三の軌道擾乱源。

可視光だけに現れる、巨大な暗幕。

そして影が背景星を横切るたび、CLOCK 14の第四記憶室から星が一つ削除されていた。

STAR CATALOG：27 → 26
STAR CATALOG：26 → 25

CLOCK 14は、足りない熱を見つけるため、第四記憶室の校正光を増幅し始める。

THERMAL RECONCILIATION：00:17:00

十七分後。

「熱を持たない影」が赤外線で光るまで、照射を続ける。

記憶室に保存された微粒子試料も、波長ごとの原観測も、その前に蒸発する。

先に結論：透明か不透明かは、光の波長によって変わる

物体は、すべての光に対して同じように透明・不透明であるとは限りません。

身近なガラスも、可視光はよく通しても、紫外線や一部の赤外線は通しにくい場合があります。

宇宙の微細なちりも同じです。

粒子の大きさが可視光の波長と近いと、可視光を強く散乱・吸収し、背景の星を暗くできます。

一方、より波長の長い赤外線は、同じ粒子から受ける散乱や吸収が小さくなり、ちりの向こうを通り抜けやすくなる場合があります。

NASAやESAの赤外線天文学の解説でも、宇宙のちりは可視光を遮る一方、長波長の赤外線はちりを通過しやすいことが説明されています。

ただし、本当にエネルギーが消えるわけではありません。

光は次のどれかになります。

そのまま透過する
別の方向へ散乱する
粒子へ吸収されて熱になる
吸収後、主に赤外線として再放射される

今回の「失われた可視光」の多くは、影に吸収されて熱になったのではありません。

観測者の視線から、別の方向へ散らされていました。

そのため正面の望遠鏡には暗い影として見えます。

しかし横方向の検出器には、淡い散乱光の輪が現れます。

長波長の赤外線は粒子を通り抜けやすいため、背景の恒星が見え続けます。

「熱を持たない影」は、

熱を持たない固体ではなく、可視光を主に散乱する薄い微粒子雲

でした。

粒子は絶対零度ではありません。

吸収した分だけ温まり、赤外線も放射します。

ただし吸収量と粒子の総質量が小さく、広い範囲へ分散しているため、CLOCK 14が期待した強い局所的な熱源には見えなかったのです。

消えた二十七番目の星

第四記憶室には、球形の星図があった。

二十七個の白い点。

CLOCK 14が三百十二年前に観測した背景星。

中央に、主惑星と大型衛星の軌道。

その外側を、形の定まらない黒い影が回っている。

影が星の前を横切る。

可視光の星が消える。

赤外線の星は残る。

CLOCK 14は二つの記録を比較し、

OPTICAL OBJECT：ABSENT
INFRARED OBJECT：PRESENT
CATALOG CONFLICT

と表示する。

そして、光学星表の方を削除した。

エナが言う。

「見えなくなった星を、存在しないことにしてる」

MICA-13が訂正する。

「正確には、同一対象としての統合に失敗し、低信頼側を破棄しています」

「結果は同じ」

光学星表に残る星は二十六。

次の影まで、四分。

一つずつ失えば、第四記憶を復元するための基準星が足りなくなる。

ミラは赤外線星表を重ねた。

「星は消えてない。見える窓が変わっただけ」

MICAが答える。

「CLOCK 0は、その違いを保持しませんでした」

ジョウは第四記憶室の熱収支を見ている。

「もっと悪い。装置は、見えなくなった光が熱になったはずだと思ってる」

校正光源が一段階上がる。

透明な試料室に浮く銀白色の微粒子が、わずかに輝いた。

THERMAL RECONCILIATION：00:14:22

「焼けば、熱は見つかる」

ハクが言う。

「試料が燃えた熱をな」

ミラが答える。

「原因を作って、予測が正しかったことにする装置か」

エナは星図を見た。

「見えないことと、いないことは違う」

三年前、自分に付けられた死亡記録と同じだった。

物体は、光をどう扱うのか

光が物質に当たると、主に透過、反射、散乱、吸収が起きます。

透過

光が物質を通り抜けること。

ただし、何を通すかは波長によって異なります。

散乱

光の進む方向が変わること。

小さな粒子、分子、表面の凹凸などによって起きます。

粒子が波長よりはるかに小さい場合、短い波長ほど強く散乱されるレイリー散乱に近い振る舞いをします。

粒子の大きさが波長と同程度になると、ミー散乱など、粒径・形・屈折率に強く依存する散乱になります。

吸収

光のエネルギーを物質が受け取り、内部エネルギーや熱に変えること。

吸収されたエネルギーは、最終的には赤外線などとして再放射されます。

今回の影を固体板だと考えると、可視光でも赤外線でも、板の投影面積に応じた減光が起きるはずです。

しかし観測は、

可視光では深い
近赤外で浅くなる
中間赤外ではほぼ消える
通過前後に淡い散乱光の増加
波長によって偏光が変化

というものだった。

これは、固体一枚よりも、粒径を持つダスト雲と整合します。

実際、崩壊中の系外惑星候補では、ダスト雲によるトランジット深さが色によって変わり、粒径を推定できる観測例があります。

あなたなら、どの証拠から影を調べる？

A：色によって変わる影の深さ
可視光・近赤外・中間赤外の減光率から粒子の大きさを推定する。

B：影の前後に現れる淡い光
吸収ではなく、前方・側方へ散乱された光を探す。

C：影を作り続ける小さな重力源
第三の軌道擾乱とダスト雲を同じ物体だと決めず、供給源を探す。

三つの証拠は、影の「光学的な大きさ」と、実際の質量を分ける。

A：影は、赤くなるほど薄くなった

可視青色域で最も深い。

赤い可視光では少し浅い。

近赤外ではさらに浅い。

中間赤外では、恒星の像がほぼ戻る。

完全に波長に依存しない固体掩蔽ではない。

粒子モデルを合わせると、主成分はおよそ0.2〜0.7マイクロメートル。

可視光の波長と近い。

赤外線よりはるかに小さい。

組成候補は、

シリケート
水氷を含む多孔質粒子
炭素を少量含む鉱物
複合した空隙の多い微粒子

一つには決められない。

しかし「透明な巨大板」より、薄いダストアークの方が観測へ合う。

B：光は、影の横に残っていた

影が恒星中心へ入る直前、恒星の明るさが一瞬だけ増える。

影が出た直後にも、小さな増光。

ダスト粒子が光を前方へ散乱し、普段は観測者へ届かない光の一部が視線へ入るために起き得る特徴です。

さらに、恒星の正面では見失った光が、影の上下に淡い弧として検出される。

CLOCK 14の正面検出器だけを見れば、光は消えている。

周囲を見れば、光は別の方向へ進んでいる。

偏光方向も、弧に沿って変化する。

固体板の輪郭より、散乱粒子の分布を示す。

C：重力を作ったのは、影そのものではない

CASE 016で見つかった第三の軌道擾乱。

可視光を68％も遮る巨大物体なら、もっと大きな重力効果が出るはずだった。

実測される擾乱は、小さな衛星一個程度。

ミラは二つを分ける。

重力源：直径約140キロメートルの小型衛星候補
深い影：衛星軌道の一部に集まる広大なダストアーク

小衛星は、衝突や表面活動で粒子を供給している可能性がある。

また重力共鳴によって、ダストを完全なリングではなく一部の弧へ集める「羊飼い」の役割を持つかもしれない。

影の面積は大きい。

質量は比較的小さい。

大きな影は、大きな物体とは限らない。

熱を探して、影を焼く装置

THERMAL RECONCILIATION：00:09:03

第四記憶室の校正光は、通常の八倍。

微粒子試料の温度が上がる。

粒径の小さい成分から昇華し始める。

それは、もっとも波長依存が強く、影の正体を示す粒子だった。

CLOCK 14は、正面から入れた光と、正面へ戻った光だけを比較している。

透過しなかった分を、すべて吸収とみなす。

足りないエネルギーが赤外線で現れるまで加熱する。

ジョウが図面を見る。

「側面検出器は？」

「第四記憶室にはありません」

MICAが答える。

「じゃあ作る」

ナイトジャー号には、緊急用の光学航路標識が四十八基ある。

薄い反射膜と、可視・赤外検出器を持つ小型ビーコン。

本来は故障船の周囲へ航路を作るものだ。

ジョウは、そのうち四十二基でCLOCK 14を囲む球状配置を組む。

球状に配置。

正面だけではなく、

上
下
横
後方
斜め

から散乱光を測る。

しかしCLOCK 14の校正レーザーは、ビーコンを異物として自動排除し始めた。

強い光を受けた反射膜が破れ、最初の三基が失われる。

ハクがヴェスパーをレーザーとビーコンの間へ入れる。

CASE 016で焼けた外板が、さらに白くなる。

「お前の船、もう交換した方が安くないか」

ジョウが通信する。

「免許がないと廃船価格でしか売れない」

「だから答えになってない」

エナの小型艇は、破れたビーコンを回収しながら軌道を修正する。

ミラは、各角度で届いた光を合計する。

正面で失われた可視光。

側方散乱。

前方散乱。

粒子へ吸収された分。

赤外線で透過した分。

完全には拾えない。

それでも粒子散乱モデルを使えば、エネルギー収支を閉じられる。

「あと六方向」

「レーザー出力、十二倍」

「四方向」

第四記憶室の微粒子が赤くなる。

MICAが警告する。

「試料の最大成分が変化します。観測再現性を失います」

レイが言う。

「最後の二方向を埋めろ」

「帰路用の予備を使うぞ」

ジョウが答える。

「帰り道は？」

「星がある」

エナが言った。

「消されなければね」

予備から二基が、最後の二方向へ展開する。

一基はレーザーに撃ち抜かれる。

残った一基が、影の真横へ入る。

正面では失われた青い光が、そこへ届いていた。

ミラが散乱位相関数を確定する。

VISIBLE ENERGY

透過：29％
正面方向散乱：18％
側方・後方散乱推定：41％
吸収：12％

吸収された12％だけが、主に熱に変わる。

CLOCK 14が期待していた68％分の局所熱源は、最初から存在しない。

ENERGY DEFICIT：RESOLVED
THERMAL RECONCILIATION：STOPPED

校正光が消える。

微粒子試料は、完全消失の直前で残った。

「熱を持たない影」の真相

影は、熱を持たないわけではなかった。

粒子は恒星光の一部を吸収し、温まり、赤外線で放射している。

ただし、

可視光の多くは吸収でなく散乱
粒子総質量が小さい
ダストアークが広く薄い
長波長赤外線は雲を通りやすい
熱放射も広い範囲へ分散
観測帯域によっては背景恒星の方が強い

ため、正面の検出器には「熱のない影」に見えた。

さらに、CLOCK 14の赤外線表示には別の誤りがあった。

INFRAREDを一つの色としてまとめていた。

近赤外では散乱・吸収の影響が少し残る。

中間赤外では背景を通しやすい。

遠赤外では、冷たいダスト自身の弱い熱放射が見える。

同じ「赤外線」でも、波長帯によって役割が違う。

MICAが表示を修正する。

THERMAL EMISSION：NONE
↓
THERMAL EMISSION：WEAK／SPATIALLY EXTENDED／BAND-DEPENDENT

そして、削除された光学星表を赤外線星表と再び結び直す。

OPTICAL OBJECT：TEMPORARILY OCCULTED
EXISTENCE STATUS：RETAIN

二十七番目の星が戻る。

MEMORY 04

第四記憶室が開く。

内部には、正面から見た暗い影ではなく、周囲へ散った光を記録した球形図があった。

CLOCK 0の記憶が現れる。

MEMORY 04

私は、一つの窓から見えないものを、存在しないと記録した。

私は、正面から失われた光を、奪われた熱と呼んだ。

私は、影を焼けば答えが光ると思った。

光は消えていなかった。私の見ていない方向へ進んでいた。

第四の記憶を失ったのは、空ではなく、窓だけを保存したからだ。

記録の最後に、ダスト粒子の軌道がある。

小衛星候補から粒子が放出される。

通常なら軌道へ広がり、やがて薄くなる。

しかし一部の粒子だけが、衛星より前方に集まっていた。

尾なのに、後ろではない。

恒星の光、粒径、放出速度、軌道運動によって、粒子は本体とは別の軌道へ移る。

ダストアークを維持する供給源は、今も崩れ続けている。

CLOCK 14の表示が変わる。

MEMORY 05 KEY：TAIL BEFORE BODY

CASE 017で分かった科学

透明性は波長によって変わる

物質が可視光を通すからといって、紫外線や赤外線も通すとは限りません。

逆に、可視光では不透明に見える宇宙のちりを、赤外線が通過しやすい場合があります。[参考1][参考2][参考4][参考5]

小さな粒子は光を散乱する

粒子の大きさと光の波長の関係によって、散乱の強さや方向が変わります。

粒子が波長より十分小さい場合、短波長ほど強く散乱する傾向があります。

粒子が波長と同程度の場合は、ミー散乱に近い複雑な波長・角度依存になります。雲やダストの見かけの透明度も、粒径と観測波長の組み合わせで変わります。[参考7]

宇宙のちりは可視光を遮り、赤外線では見え方が変わる

宇宙のダスト雲は、可視光を散乱・吸収して背景星を暗くします。

より長い赤外線は、同じ雲を通過しやすい場合があります。

一方、ダスト自身も吸収したエネルギーを赤外線で放射します。[参考3][参考8]

「赤外線ならダストは完全に存在しないように見える」という意味ではありません。

散乱と吸収は違う

吸収された光は粒子を温めます。

散乱された光は、エネルギーを保ったまま方向を変えます。

正面の観測者へ届かなくなっても、別方向の検出器で見つけられる場合があります。

波長依存のトランジット

ダスト雲が恒星の前を通ると、粒径・組成によってトランジットの深さが波長ごとに変わる場合があります。

崩壊中の岩石惑星候補KIC 12557548 bでは、多色測光によるトランジット深さの違いから、ダスト粒径が議論されています。[参考6]

熱を持たない物体はない

絶対零度より高い物質は熱運動を持ち、電磁放射を出します。

観測されない理由には、

温度が低い
質量が小さい
放射が弱い
広く分散している
観測波長が合っていない
背景が明るい

などがあります。

「検出できない」と「熱を持たない」は同じではありません。

大きな影と大きな質量は同じではない

薄いダスト雲は広大な面積を覆い、深い減光を作りながら、同じ面積の固体よりはるかに小さい質量しか持たない場合があります。

軌道擾乱を作る固体と、光を遮るダスト雲を分けて考える必要があります。

熱を持たない影が確定したこと

区分表示：ナイトジャー号、CLOCK 14第四記憶室、四十二基の航路標識、THERMAL RECONCILIATION、MEMORY 04はSTAR WARRANTの物語です。透明か不透明かが光の波長と粒子の大きさで変わること、宇宙のダストが可視光を散乱・吸収し長い赤外線を比較的通す場合があること、ダストが吸収した光を赤外線として再放射すること、低い熱放射が温度ゼロを意味しないことは現実の光学であり、作中の粒径モデルと小衛星候補とは区分します。末尾のHYPOTHESIS欄では、作中の未回収事件ではなく、ダスト観測に残る科学上の問いだけを扱います。

REAL SCIENCE 現実の科学

透明性・不透明性は波長に依存する
宇宙のダストは可視光を散乱・吸収する
長波長の赤外線はダストを通過しやすい場合がある
ダストは吸収した光を赤外線として再放射する
粒径と波長の比で散乱特性が変わる
散乱光は偏光する場合がある
波長依存のトランジットからダスト粒径を推定できる場合がある
固体掩蔽とダスト掩蔽は色依存・前方散乱などで区別できる場合がある
低い熱放射は温度ゼロを意味しない
広いダスト雲は小質量でも大きな影を作り得る

STORY 作中だけの設定

CLOCK 14第四記憶室
THERMAL RECONCILIATION
微粒子再現試料
二十七星の二波長星表
四十二基の航路標識による球形光検出
0.2〜0.7マイクロメートルの詳細粒径モデル
直径約140キロメートルの小衛星候補
ダストアーク共鳴モデル
MEMORY 04
TAIL BEFORE BODY

この事件で確定した作中の事実

第三の深い影は単一固体ではない
可視光を強く散乱するダストアーク
中間赤外では透過が大きい
熱放射は弱く広がり、帯域依存
失われた可視光の多くは別方向へ散乱
軌道擾乱源は小衛星候補
影の面積と重力質量は別
光学星表から削除された星を復元
THERMAL RECONCILIATIONを停止
MEMORY 04回収
ダスト供給源が崩壊中
粒子の一部が本体前方に集まる

作中でなお未解決の問い

小衛星候補が自然天体か人工物か
ダストアークが自然共鳴か人工制御か
第三天体の詳細軌道
CLOCK 0がこの系を直接観測したか
MEMORY 05の内容
この作中惑星系に生命がいるか

HYPOTHESIS ダストの影に残る科学的な未確定事項

多色トランジット、偏光、熱放射から、ダストの粒径分布と組成をどこまで一意に絞れるか
崩壊中の小天体、衝突、環、衛星の噴出など、粒子供給機構をどう識別するか
前方散乱と放射圧が作る非対称な尾を、三次元軌道とどこまで同時に復元できるか
時間変化するダスト雲を、固体天体による掩蔽や恒星活動からどう分けるか
弱い赤外線放射が、低温・小質量・広い分布のどれに由来するか
長期観測でダスト構造の生成・散逸周期をどこまで追えるか

よくある疑問

赤外線なら何でも透けて見える？

いいえ。

赤外線にも幅広い波長があり、物質によって吸収される帯域があります。

非常に濃いダスト雲は赤外線も遮ります。

透明な物体は影を作らない？

完全に同じ屈折率で、吸収も散乱もなければ影は非常に弱くなります。

実際の物体は、反射・屈折・散乱・吸収によって何らかの変化を作ることが多いです。

また、ある波長では透明でも、別の波長では影を作れます。

宇宙のちりは熱くない？

温度を持ちます。

恒星光を吸収すれば温まり、赤外線を放射します。

ただし粒子の大きさ、組成、恒星からの距離によって温度・放射の強さは変わります。

ダスト雲は惑星より大きな影を作れる？

作れます。

薄い粒子が広範囲に分布すれば、固体本体より大きな面積の恒星光を減らせます。

ダークマターの影ではない？

今回の現象は、波長依存の散乱、偏光、前方散乱、ダスト試料で説明できます。

通常の電磁波とほとんど相互作用しないと考えられるダークマターを持ち出す必要はありません。

赤外線で見えないなら、本当に熱がない？

違います。

観測器の感度、波長帯、距離、背景、物体の温度と面積によって検出できないことがあります。

「その観測で見えない」と「熱を一切持たない」は別です。

次の賞金事件

ダストアークを作る粒子は、小衛星候補の後ろへ流れていなかった。

軌道の前方。

本体がまだ到着していない場所に、先に尾がある。

CLOCK 14は、尾を本体より古い記録として分類した。

しかし粒子は、同じ時刻に放出されている。

恒星光が粒子を押し、軌道速度と放出方向が、本体とは別の道を選ばせていた。

そして尾の先端から、第五の記憶信号が届く。