星の進化論とＨＲ図表 その 1

－7－恒星天文学の源流【12】星の進化論とＨＲ図表～忘れられた先駆者

その 1

ウオータストンとマイヤー～
小暮智一（元京都大学）
彗星の落下による力学的エネルギーの可能性

1. はじめに第三の話題は星の進化論とＨＲ図表の成立を指摘している。しかし、2人の業績は長いである。本論に入る前に、進化論の源流を概間うずもれ、世に知られるようになったのは観しておこう。全体的な参考書はいくつかあようやく1860年代以降であった。業績を認めるが[文献1－4]、その中でジャン・ルイ・タ

られないパイオニアとして２人の生涯には似スールとモニック・タスール夫妻の著書「太通ったところがある。

陽と恒星物理学の歴史」[4] は優れた概要を

後期のパイオニア時代を代表するのは理論与えている。その著の中で彼らはこれから取面ではジョナサン・Ｈ・レーンとオーガスト・

り上げようとする恒星天文学の源流に当たる

リターであろう。レーンはワシントンの特許時代を「パイオニアの時代」（1840－1910年）

局に勤めながらのアマチュア研究者、リターと「形成の時代」（1910－1940年）とに分けは大学で構造力学などを担当する工科系研究ている。ここでは恒星進化論の歴史という観者と、どちらも物理学、天文学から離れた研点から、「パイオニアの時代」をさらに前後期究者であった。レーンは「太陽の理論的温度」に分けて、前期を「忘れられた先駆者の時代」（1870）という論文を書き上げた。これはレ（1840－1870）と後期を「ガス球論発展の時ーンの天文学に関する唯一の論文であるが、代」（1870－1910）と呼んでみたい。

この論文は自己重力のもとで球状に保たれる

これらの時代はもとより多くの研究者によ

ガス体の全体的平衡状態を取り扱った最初のって築き上げられたが、ここでは何人かのパ論文である。一方、リターの天文学の仕事はイオニアたちの人物と天文学を通して主題の1878 年から 1883 年に集中し、この間に「太流れを浮かび上がらせてみたい。

陽大気の高さに関する考察とガス状天体の内パイオニア時代の前期はジョン・ジェイム

部構造について」という 18 編からなる長大

ス・ウオータストンとロバート・マイヤーにな論文をまとめている。そのなかで彼はガス代表される。1840年代、太陽はまだ固体かあ

球の平衡、振動、安定性の問題に取り組み、

るいは液体ではないかと考えられていた時代

星の進化については収縮論の立場から星は高であった。パイオニアの2人は共に太陽はガ温度星に向かった後、低温度星に向かうといス球であると大胆に仮定し、気体運動論や熱う 2 方向進化理論を提唱した。

力学の基礎を築きながら、太陽の熱源と進化

当時の主流はヘルムホルツ収縮論に基づいの問題に迫っていた。ウオータストンは「気て、星は高温度星として誕生し、収縮冷却の体運動論」（1845）の論文のなかで収縮説に道を辿るという一方向説であった。観測的立

よる太陽熱の発生を提唱し、一方、マイヤー場から 2 方向進化論を主張したのはノーマ

はエネルギー保存則の提唱とともに、「 天体のン・ロッキャーであった。彼は星の分光タイ動力学」（1845）のなかで太陽の熱源としてプが温度上昇期にある星と下降期にある星に

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■

連 載

恒星天文学の源流【12】 ■分類できると考え、2 方向進化論を提唱する

年代には原子核物理学が大きく発展した。中（1887 年）。彼は太陽熱源として流星落下説

性子や陽電子の発見、核反応における遷移確をとり、星の誕生としては低温の流星体の集率の計算などによって、いよいよ熱源問題の合によるとした。従って、星は低温巨星とし解決が近付いて来た。それを先導したのはフて誕生し、中心への落下によって加熱され、ォン・ワイゼッカーの「星の内部における元星は高温に向かう。やがて星は観測される最素変換について」（I:1937, II:1938）とハン

高温度に達すると、それ以後、低温の赤色星

ス・ベーテによる「星の内部におけるエネルに向かうという進化過程である。

ギー生成」（1939）という 2 人の論文である。

パイオニア時代の後期を飾るのは理論的にこれによって熱源問題に解決の道が開かれ、はロバート・エムデンの「ガス球論」（1907）

1940 年代からはタスール夫妻によれば「恒星であり、観測的にはエイナール・ヘルツシュ

天文学の黄金時代」に入る。

プルングとヘンリー・N・ラッセルによるＨ

この第三話では、上に挙げた人たちを中心

Ｒ図 の 成 立 で あ る 。 Ｈ Ｒ図 の成 立 （ 1907 -に、その人となりと天文学を訪ねながら、恒1913 年）は「パイオニアの時代」から「形成星天文学源流期おける理論と観測の歴史の一の時代」への転換期に当たる。ヘンリー・ラ

端に触れて見よう。

ッセルはエムデンによって整備されたヘルムホルツ収縮論に基づいて、ＨＲ図上における星の進化経路が赤色巨星から青色星を経て、主系列を赤色へと向かうことを示した。これ

2. ウオータストン（John James Waterston,1811 - 1883）
2.1

その生涯

は収縮説による進化論の総仕上げであったが、ジョン・ジェイムス・ウオータストンは収縮説には乗り越えがたい矛盾があった。そ1840 年代に気体を構成粒子間の相互衝突とれは太陽や星の年令である。

いう観点から気体運動論の基本法則を導き、太陽の年令は収縮説によると高々数千万年

それを太陽に応用して恒星進化論の夜明けを程度であるが、一方、地層や化石から推測さ告げたパイオニアである。彼は第 1 に太陽をれる地球の年令は十億年を超える。太陽も地ガス体と見なして気体運動論を応用し、第 2球と同程度と考えざるを得ないが、収縮論にに収縮説に基づいて太陽熱の起源について画はそれを乗り越える手段はない。太陽の長期期的な考察を行っている。どちらも１９世紀にわたる熱源はどこにあるのであろうか。

後半になってようやく広く認められた見解でこれは「形成の時代」を迎えるに当たって最ある。しかし、ウオータストンの業績は長い大の課題であった。

間埋もれていた。パイオニアとしてウオータ

この課題の解決に向けて重要な発見があった。ラザフォードによる原子核の発見（1911）

ストンの味わった不遇な扱いと悲劇的な生涯を探ってみよう[4, 5]。

と、アインシュタインの相対性理論による質

ジョン･ジェームス･ウオータストンはスコ

量と光の等価性（1905）である。エディントットランドのエディンバラ近郊でローソク工

ンは「恒星内部構造論」（1926）のなかで物場を経営するジョン・ウオータストンと妻ジ

質消滅過程を新しい熱源として提唱した。こェーン･ブレアとの間に生まれた 9 人の子供の説は一時期進化論の主流となり、多くの理の中の第６子である。家は富裕ではなかった論的研究があった。しかし、そのあと、1930

が文学、科学、音楽を愛する家風があり、子天文教育 2010 年 11 月号（Vol.22 No.6）星の進化論とＨＲ図表 その 1－9－どもたちはそれぞれ人前の教育を受けることが出来た。ジョンはエディンバラ高校を卒業すると、地元の土木会社で働きながらエディ
ンバラ大学に進学した。ここで彼は数学、物理、化学から解剖学まで学んで科学への広い知識を身につけている。
彼は 19 才（1830）で大学を卒業するとき、重力の力学的起源として、遠隔作用の代わり

図 2

イギリス東インド会社の本店のあった

ボンベイ（ムンバイ）の街並み。

に粒子の衝突による近接作用を提唱する論文

図は 1888 年に建てられたボンベイの中央駅（チを書いている。この論文は誤っていたが彼のャトラパティ・シバージー・ターミナス）前のその後の気体運動論の背景を形成した 1 つの広場。この付近には市庁舎をはじめイギリス領機縁になったと自ら語っている。

時代に建てられた建築物が多い。
(出典：wikipedia：チャトラパティ・シバージ
ー・ターミナス駅)

1832 年、ロンドンに移り、ジェイムス･ウ
オーカー土木会社に職を得るが、仕事は鉄道路線調査だったので地方まわりが多く、自由な時間が少なかった。しかし、その間にも工事計画の図形法の考案などで注目されていた。
この会社で 3 年働いた後、海軍水路部に移り、
フ ラ ン シ ス ・ ボ ー フ ォ ー ル （ Francis
Beaufort）の指導の下に数学と物理学の研究を進める。1839 年（28 才）のときボーフォールの推薦によってボンベイ（現ムンバイ）の東インド会社付属の海軍兵学校の講師となる。ここで 1857 年まで約 20 年間働くが、この間は自由な時間が多く、物理、化学、天文学、心理学など広い分野に関心を持ち、その成果をまとめている。
インド滞在中にウオータストンが最初に取り組んだのは熱力学であった。1843 年に彼はその成果を「心的機能に関する考察」（Thoughts on the Mental Function）という表題で自費出版している [6]。この中には
図1

ジョン・ジェイムス･ウオータストンの気体運動論に関したいくつかの重要な公式が肖像 46 歳頃の肖像[4] (p.70, Fig. 3.2)

含まれているが、ウオータストンは科学界での付き合いが少なく、しかも、題名が悪かったので当時はほとんど問題にされなかった。

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■

連 載

恒星天文学の源流【12】 ■そこで彼はこの書の内容を発展させ、1845

2 

年に「気体の運動理論」（正確には「運動状態1
Mにあって、完全な弾性を持つ自由な分子によ

これはエネルギーの等分配法則についての最って構成される媒質の物理学について」）と題初の記述である。

した長文の論文 [7] をロンドン科学協会会（ ｃ ）個 々 の気 体 分 子 の 運 動 エ ネ ル ギ ー は報に投稿するが、受理されなかった。閲読者のルボック（Sir J.W. Lubbock）は「この論1
M  2 であるが、気体全体の熱エネルギー2

文はノンセンス以外の何者でもない」と酷評

は温度に比例する。この考察に基づいて完全している。論文は著者の手に戻らず、協会の気体に対し、次の法則を得た

保存文庫にしまい込まれてしまった。不幸に

PV
 定数
T

も彼は論文のコピーを手元に置かなかった。
彼の心に受けた傷は大きかった。彼はなおボ

これは実験的に得られたボイル・シャルルのンベイに留まり、1857 年に故郷のエディンバ

法則(1787)（ PV T  一定 ）を分子運動論か

ラに戻ってくるが、その後は失意と孤独の日ら理論的に導いたものである。

が続き、次第に体調を崩していった。

1840 年代というウオータストンの時代に

1883 年、ウオータストンは突然姿を消した。 は、熱とはまだ、カロリック（caloric）と呼彼の死は謎に包まれている。6 月のある日、ばれる質量をもたないで物質が物体のなかに

エディンバラ近郊の水辺に散歩に出たまま、入り込む現象であると考えられていた。熱をその後の彼を見かけた人はいない。死因につ分子運動に起因するとする気体運動論は革新

いては心臓発作とか、目まい症状などによっ的な理論だったのである。これらの成果は「心て水に落ち、溺れたのではないかとも推測さ的機能に関する考察」（1843）[6] に含まれてれたが、彼の遺体はついに見つからなかった。

いるが、上述したように研究者社会からはなんの反応もなかった。

2.2

気体運動論

ウオータストンは独力で気体運動論の基本

2.3

太陽の研究と収縮仮説

原理の研究を進めていた。ボンベイに移住しインド在職中は自由な時間がたっぷりあった 1840 年代初期にはすでに基本的法則とした。気体運動論のほかに物理、化学や生理学て、気体の温度、圧力、分子の運動エネルギなど広い分野で思索を深めていたが、なかでーに関係するいくつかの公式を導いていた。

も太陽と太陽系天体には深い興味を示してい現在の記法によって主なものを挙げてみよう。 た。太陽について最大の問題はその熱源であ（ａ）気体の圧力 P は分子密度 Ｎ ，分子の重さ Ｍ 、および、分子の平均二乗速度  2 に比例する。すなわちった。ウオータストンは太陽の莫大なエネル
ギーは通常の化学反応では説明できないことを具体的に示し、熱源としてはラプラスによって提唱されていた太陽系生成の星雲説を発展させて、太陽自体の収縮による力学的エネ

P  NM  2

ルギーの熱への変換が最も妥当であると考え（ｂ）複合気体においては各分子の平均速度

 2 はその分子の重さ Ｍ に反比例する。

た。彼のこの収縮説は王立協会会報に投稿した 1845 年の論文に含まれていたが、この論

天文教育 2010 年 11 月号（Vol.22 No.6）星の進化論とＨＲ図表 その 1

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文は前述したように受理されず、協会の倉庫

この講演はウオータストンにとって不幸であに埋もれたままだった。

った。彼はますます、失意になって、1857

彼はボンベイにおいてなおも天文学の研究

年にエディンバラに戻ってきた。それでも、を す す め 、「 星 食 予 報 の 図 形 法 に つ い て 」

気体論や天文学への関心は絶えることなく、（1843）[8]、「3 回の観測によって彗星の位

研究生活を続けていた。この時期に彼は「彗

置を決定する直接法について」（1845）[9] な星の尾の形成について」（1858）[11]、「太陽どの論文を公表している。これらの研究が認放射の測定法について」（1861）[12]などのめられて 1852 年には王立天文協会のメンバ論文を公刊しているが、そのなかで注目されーになっている。

ているのは太陽熱量計の設計、製作と、それ1853 年に一時帰国した折、彼はロンドンのを用いた太陽観測である。彼の作成した設計

文芸協会で「宇宙における力学的過程」とい図を図 3 に示そう。この熱量計によって太陽う一般公演を行っている [10]。これは重力収

放射量と地球大気の吸収量を導き、ほぼ妥当

縮によって変換されたエネルギーが分子に活な値を導いている。こうして彼は生涯の最後

力（vis viva）を与えて、太陽の熱と光を支まで天文学への関心を保ち続けていた。

えるという理論で、1845 年に不採用とされたロンドン科学協会の文庫に眠っていたウオ

論文の一部をなすものであった。この講演のータストンの 1845 年の論文は 1891 にレイリ

なかで彼は次のように述べている：ー卿（Lord Layleigh）によって「発見」さ「この活力理論はラプラスによって提唱れ、翌年にようやく公刊された [13]。この発されている星雲仮説とよく調和するよう

見 に 付い て レイ リ ー は 次 の よ う に 述 べ て いに思われる。太陽を構成するガス分子の強る：力な活動性は引力による収縮の結果と見「（この論文には）現在広く受け入れられてなされる。」いる理論にむけて大きな進展が含まれ「若し太陽が均質に収縮したとすると、半ている。投稿の時点で公刊されなかった

径 3.3 マイルの収縮によって、太陽放射ののは（熱力学）理論の進展を 10 年から

約 9000 年分をまかなうことが出来る。」

15 年も遅らせた極めて残念なことであ

この講演には 1 つのエピソードがある。ドった。」

イツの生理学者であり、エネルギー保存則の提唱者としても知られていたヘルマン・フォ
ン・ヘルムホルツ（Hermann von Helmholtz）
が、この講演会に出席していてウオータスト
ンの収縮説に大きな印象を受けたことである。
彼は早速その説をその後の一般講演で紹介した。簡単な計算によって、太陽は収縮による熱で輝いているとすると、原始星雲から現在の太陽半径に収縮するまでの時間は 2200 万年であると示した。ヘルムホルツは、収縮説
はウオータストンによると断ったにもかかわらず、この講演の反響は大きく、その説はヘルムホルツ収縮説と呼ばれるようになった。

図 3

ウオータストンの設計した太陽熱量計[12]

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■

連 載

恒星天文学の源流【12】 ■3．マイヤー（Julius Robert von Mayer, 1814てチュービンゲン大学の医学部に進学する。

- 1878）
3.1

地元の高校を卒業すると、父の薦めによっチュービンゲンはハイルブロンからネカー川

その生涯

ウオータストンと同じ時期にドイツではユをさらに 100ｋｍほど遡ったところにある。

リウス・ロベルト・フォン・マイヤーがエネ

大学は 1477 年創立という古い歴史をもち、ルギー保存則の発見、太陽の放射冷却に対す

この町は学生が人口（7 万人）の 3 割を占める熱源の推論など先駆的研究を進めながら、るというドイツの古い大学都市である。若者

ウオータストンと同じように不遇な扱いを受の町であったから、学生の中には羽目をはずけた。ここではその生涯と天文学への貢献にすものも多かったのであろう。若き日のマイ

ついて振り返ってみよう [4], [14]。

ヤーもその一人であった。大学で禁止されてマイヤーは 1814 年 11 月、ドイツのハイル

いた派手な色の服装を着用し、徒党を組んでブロン（Heilbronn）で薬剤師の息子としていたのが露見して、仲間とともに一時、警察生まれた。ハイルブロンはハイデルブルクかに拘留され、全員が大学から 1 年間の停学処

らネカー河を 70ｋｍほど遡った上流の静か分を受けた。

な田舎町である。自然環境にも恵まれていた

彼はこの期間を利用してスイス、フランス

が、マイヤーは子どものときから物理的な科などの旅行に出かけ、オランダ領東インド(現学実験に興味をもち、種々の電気装置や空気

インドネシア)まで足を伸ばしている。1838

ポンプの製作を楽しんだりしている。

年に無事に卒業して医師となり、ハイルブロ
ンに戻って診療所に勤めるが、東インドへの思いが募り、1841 には オランダの 3 本柱帆船の船医としてジャカルタへの航海に出る。
この旅の途次、１つのエピソードがあった。
ジャカルタ港に近づいたころ、ヨーロッパからの船員に出血した人がいた。マイヤーはその血が著しく赤みをおびていることに気づいた。念のため他のヨーロッパ船員についても調べたが例外なく強い赤みを示していた。その理由として彼は、血液は酸素を運び、人はその酸素の燃焼によって体温を保つ。北のヨーロッパでは人は体温を保つために多くの熱を発生させるが、熱帯ではより少ない熱量ですむ。そのため、酸素を運ぶ赤血球の消費が少なく、そのため血液も赤いのではないかと考えた。マイヤーは後年このエピソードを振り返って、それが自然界の熱現象に興味を抱く契機となったと述べている[15]。

図 4ユリュース･ロベルト･フォン・マイヤー肖像

出典：([4] p.69, Fig. 3.1)

実際、彼はヨーロッパに帰る船の中で熱の種類や運動との関係、無機自然界における熱天文教育 2010 年 11 月号（Vol.22 No.6）星の進化論とＨＲ図表 その 1の起源やエネルギーの保存などについて思い

3.2

－13－

熱と運動の等価性、エネルギー保存則をめぐらし、帰国してすぐ 1842 年に第 1 論

19 世紀初頭から 1840 年頃にかけて、物質文として「無機自然界における『力』についの変換過程に関する実験が相次いだ。熱の発て」を書き上げている[16]（ここで『力』と生についても化学変化によるもの、電流、磁は現在のエネルギーである）。この論文はエネ気的作用によるもの、落下体の衝突など力学

ルギー保存則を示唆するもので、リービッヒ

的原因によるものなど、多様な相互変換が知

化学年報 1842 年版に掲載されたが化学界かられるようになっていた。それは新しい科学らの反応はなかった。

時代の到来であった。物理学者であり、サイ

熱エネルギーと力学的エネルギーの等価性

エンス ライターであったメアリー・サマーヴ

はヘルムホルツ（Hermann von Helmholz）

ィル（Mary F. Sumerville）は啓蒙書「物理やジュール（James Prescott Joule）の発見

諸科学の連関について」（1834）のなかで、とされ、エネルギー変換に関するマイヤーの「現在の科学の進歩は、・・・、かけ離れた

業績は長らく無視されていた。彼の失意は大科学分野を結びつけるという傾向におい

きく、次第に精神を蝕むようになっていった。

て際立っている。
・・・その結果、どの分

彼は 1842 年にレジーネ・カロリーネ・クロ

野においても他分野の知識がなければ熟スと結婚し、7 人の子供をもうけていたが、達を望むことが出来なくなっている」

1848 年には 2 人の幼い子供があいついで死（杉山 [18]））

亡するという悲運があった。こうしたことがと述べている。

彼の失意と重なって 1850 年、彼はついに自こうした潮流の中でマイヤーは「原因は結殺を図って窓から飛び降りる。このときは足果に等しい」という論理の連鎖を重ねて、自の骨折で済んだが、精神の痛みは深く、周囲然現象の変化を結ぶ連鎖の原因としてあるもの進めに従って精神科病院に入院して治療にの「力」が不滅であり、さまざまな物質変換専念する。幸い、病状は収まり、また、そのの中で「力」は一定の割合で現象の中に現わ間に彼の業績に対する科学界からの評価も次れるという結論に達した。彼はすでに述べた第に高まり、退院した 1860 年以降は、彼をように血液中の酸素の発熱量という現象から取り巻く状況も大きく変化していた。1859｢力｣の普遍性を着想しているが、彼はその普年にチュービンゲン大学は物理学における業

遍性を、無機質を含む、自然界一般の現象に績を認めて彼に名誉学位を授与していた。こ当てはめることが出来ると考えて、その見解

うして彼は元来のロベルト・マイヤーに戻り、を「無機的自然における『力』（force）につ

再び、研究生活に入る。ハイルブロンの自宅いて」 [16] という論文のなかで展開した。

でワインの栽培を楽しむなど静かな余生を送

そのなかで彼は｢力｣の普遍性と共に仕事にり、1878 年に結核のため 64 才で永眠した。

変換するときの「熱の仕事等量」を導き出し

マイヤーの研究は物理化学現象に対する熱ている。ここで「力」を「エネルギー」に読

力学的考察が中心であったが、天体現象に対み替えればエネルギー保存の法則になるが、しても大きな関心を持ち、熱源と気体運動と当時のマイヤーの論文は定性的な過程の推論

いう観点から、1848 年には「天体の動力学」に基づいているので、このときの論文がエネ[17] を公表している。ここにもマイヤーの忘

ルギー保存則の発見者と見なしうるかについれられた一面があるので節を改めて紹介するては疑問が残っていた。彼自身はこの発見のことにしよう。

重要性に気づいていたが、それをアピールす天文教育 2010 年 11 月号（Vol.22 No.6）

－14－

■

連 載

恒星天文学の源流【12】 ■る才能が充分でなかった。翌年の 1843 年には1 モルに対する現在の値 J = 4.1855 (J/cal)

ジュールが定量的に熱の仕事等量を示したのに近い値を得ている。 また、その際、定圧比で、ジュールが発見者であるとする人もいた

熱 CP と定積比熱 CV との差は一定であるこが、現在はどちらが先というより、熱と運動とを見出している。式で表わすとCP − CV ＝ Rの等価性は両者によって発見されたというのが通説になっている。両者の論争についてはとなる。ここで R は気体定数である。この村上陽一郎編の「近代熱学論争」[18] に譲り

式はその発見にちなんでマイヤーの関係式とたい。

も呼ばれている。

なお、マイヤーは当時の熱現象実験の結果に基づいて、落下する物体の仕事量 W と、

3.3

太陽の熱源

それによって発生する熱量 Q を比較し、熱のマイヤーは巨大な発熱体としての太陽にも仕事等量 J = W /Q を測定し、理想気体の注目していた。そして、1848 年、彼にとっては生涯の困難な時期であったが、「 天体の動力学」を公刊し、太陽の熱源、黒点と光球、さらには地球の潮汐力や地球内部の温度などを論じている。また、この年、ハイルブロンの公会堂で開かれた講演会 [20] でも彼の基本的な考え方を披露している。
ここでは太陽の熱源と進化について｢天体の動力学｣に従って彼の思考に触れてみよう。
この論文は「どんなに輝く物体でも光と熱の放射によって温度と光度を低下させ、熱源がない限り、やがては冷えて輝きを失う。」という序論で始まる。次いで、それでは太陽の熱源はどのようなものであろうかと考える。熱源として 2 つの可能性が考えられる。一つは石炭の燃焼のような化学反応である。他は力学的過程である。圧縮、振動、摩擦などの仕事から熱が発生する。すでに前節で述べたよ
うに熱と仕事は互いに変換可能であり、同等である。太陽の熱源はどちらのタイプであろ

図5

熱力学とエネルギー保存に関して1868 年に英訳出版された論文集の表紙うか。それを見るには、まず太陽の放射する熱量を正しく測定する必要がある。

この中にマイヤーの 3 つの論文「無機的世界のマイヤーは太陽の放射する熱量として、プ

力」、「天体動力学」、「熱の力学的等価性」が収ーイェ（Pouillet）が自ら発明したレンズ系

められている。（出典：

日照計によって測定した太陽熱量(今で言えhttp://www.biodiversitylibrary.org/biblio

ば太陽常数)を引用している。地球大気による

graphy/19177#）

吸収を半分とすると太陽放射熱の総量が推定
天文教育 2010 年 11 月号（Vol.22 No.6）星の進化論とＨＲ図表 その 1－15－できる。太陽を高温の水蒸気で構成されるガ

量損失に関係しているのではないか。」

ス球と仮定すると、熱源がない限り、太陽温

いまで言えば太陽風にあたるプロセスを暗示

度は毎年 1.8 Ｃ低下し、わずか 3000 年でしているように見える。もちろん、全くの推5000oC

測に過ぎなかったし、それについては彼もそｏも低下する。一方、この熱量を石炭の燃 焼 で 補 お う と す る と、 太陽 は わず か にの後触れていない。

5000 年で燃え尽きてしまうだろう。従って化

一方、外部物体の衝突の証拠としてマイヤ

学反応で太陽光度を維持するのは不可能であーは黒点現象をあげている。当時、1840 年代、る。

太陽の表面現象についてはかなりのことが知

それでは力学的熱源としてどんなものが可られるようになっていた。太陽黒点(暗部、半能であろうか。太陽はほとんど真空中を自転

暗部)、粒状斑、白斑などとその多彩な変動でしているので、周囲の媒質との摩擦による熱ある。マイヤーは観測家ではなかったので、は到底熱源とはならない。最も有望なのは物

主にジョン・ハーシェルの記述に基づいて、体の落下であろう。落下によってえられる活これらの現象を考察している。

力（エネルギー）は物体の(質量) x (速度)２ に黒点について出現から消滅までの多様な比例する。従って、彗星や小惑星のような小変動のなかで、彼が注目したのは太陽面上に天体でも落下速度が大きいため、発生する熱

おける黒点現象の大きい変動の速度と、また、量は石炭燃焼効率の 5000 倍から 10000 倍に

太陽面の高い表面温度である。粒状斑や白斑達する。

内の急速運動と共に、これらの現象は太陽表

こうしてマイヤーは彗星、小惑星、流星物

面が固体や液体ではありえず、気体でなけれ質などの小天体の絶えざる落下が太陽の主要ばならないと結論した。これが太陽をガス体な熱源であると考えた。これらの小天体は地と考える重要な根拠となっている。

球でも絶えず観測されており、太陽系空間には充満しているだろうと考えた。

それでは黒点の起源は何であろうか。マイヤーは太陽系小天体の太陽面への落下現象でしかし、太陽の熱源が外部物体の落下によあると考えた。黒点がしばしばグループを作るとすると、太陽質量は増加しなければならることから、何か列を作った小天体の連続的ない。質量が増加すると惑星の軌道運動を加落下ではないかと推論したが、それはあたか

速する。適当な落下率を仮定すると、地球のも 1994 年に観測された木星表面へのシュー

恒星年は毎年 5000 万分の 1 の割合で短縮すメーカー・レビー第 9 彗星の衝突のようなもることになる。これは長期的な観測によってのであったのかも知れない(図 6)。また、黒点測定可能な値であるが、地球ではそうした加域が赤道に近い領域に限られていることも黄速は観測されていない。これは太陽の質量が道面と関係していると推察している。

一定に保たれていることを示している。そこ

小天体はつめたい物質と考えられており、にはなにか自然界の調和が存在するのではな

太陽表面を炎の大洋と考えると落下天体は、

いかとマイヤーは考えた。それでは調和とは

しばらくは低温領域として暗く見えている。

何であろうか。彼にも具体的なアイデアはな

それが黒点である。加熱蒸発したガスは黒点

かったが次のように述べている。

を取り巻く白斑である。こうしてマイヤーは「ニュートンは、光は微粒子である、と唱

小天体の太陽面落下が太陽の主要な熱源であえているが、今日では波動説が主流であり、その直接的証拠が太陽黒点や白斑現象でる。しかし、光の放射が何らかの形で質あると主張した。なお、余談であるが、1994

天文教育 2010 年 11 月号（Vol.22 No.6）

－16－

■

連 載

恒星天文学の源流【12】 ■年 8 月にオランダで開かれた国際天文学連合

文（IAU）総会ではシューメーカー・レビー第[1] Agnes M. Clarke, 1902, A Popilar

9 彗星衝突の特別報告会が開かれ、広い波長

Histrory of Astronomy during the

域での観測が報告された。筆者もこの会合にNineteenth Century, A. and C. Black

顔を出していたが、可視域撮像の報告を行っ

Publ., London. (19 世紀天文学史)

たカラーアルト天文台やハッブル宇宙望遠鏡[2] Gingerich, O. 1984, Astrophysics andなどの観測者たちは揃って「衝突痕は太陽黒twenty-century astronomy to 1950:

点に良く似ている」と表現していた。マイヤ

Part A., Cambridge U. Press.

ーの推察もまんざらではなかったようである。

前半天文学史)「天体の動力学」ではさらに潮汐作用につ献(20 世紀[3] Milton, H. Thomas 2008, The History of

いても触れている。潮汐を一種の振動と見な

Astronomy

and

すと、それが継続するには何らかのエネルギ

BiographicalAstrophysics,
Approach,A

VBW

ー源が必要である。こうしたエネルギー保存

Publishing Inc. （天文学者伝記集）

則から地球、月の軌道運動の変化を考察して[4] Tassoul, J.- L. and Tassoul, M. 2004, A

いる。マイヤーは海水の潮汐のみならず地殻

Concise History of Solar and Stellarの潮汐も考え、また、月と地球の相互作用もPhysics, Princeton University Press.

考慮した最初の理論的考察を行っている。マ（太陽と恒星の天体物理学通史）

イヤーは潮汐理論においてもパイオニアであChap. 3. The Time of Pioneers, 1840 –った [21]。

1910
Chap. 4. The Formative Years, 1910 –1940
Chap. 5. The Golden Age, 1940 – 1970
[5] O’Conner, J. J. and Robertson, E. F.
2008, John James Waterston.（伝記）(http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/˜history/Printonly/Waterston.html)[6] Waterston, J. J. 1843, Thoughts on the
Mental Function （心的機能に関する考察）自費出版[7] Watserston, J. J. 1845、Submitted to

図 6

木星に衝突したシューメーカー・レビ

Proc. Roy. Soc. London (当時、受理されなかった論文。 [13] に再掲する)

ー第 9 彗星の痕跡
1994 年 7 月 20 日、美星天文台の 101cm 望遠鏡[8] Watserston, J. J. 1843、MNRAS, 6, 83で撮影された。彗星の核は木星の南緯 43 度付-84,

近に次々に衝突した。（大島修氏ほかによる撮

predicting occultations.

影）。マイヤーが黒点現象と考えたのはこのような衝突であった。

Onagraphical

methodof[9] Watserston, J. J. 1845、MNRAS, 7, 17 –19, On a direct method of determining
the distance of a comet by three

天文教育 2010 年 11 月号（Vol.22 No.6）星の進化論とＨＲ図表 その 1－17－[17] Mayer. J. Robert 1845, Celestial

observations.
[10] Waterston, J. J. 1853, The Athenaeum,

Dynamics, in The Correlation and

No. 1351, On the dynamical sequence

Conservation of Forces, edited by E.

in Kosmos.

L.Youmans, 1868, D. Appleton and Co.,

[11] Waterston, J.J. 1858, MNRAS, 19,
29–30, Thoughts on the formation ofなどの考察)[18] 杉山滋郎、「熱学の展開」、村上陽一郎編、

the tail of a comet[12] Waterston,J.J. 1861, MNRAS, 22, 60 –67, An account of observations on solar

近代熱学論集、旭出版社。
[19] Mayer, J. R. 1841, Remarks on theforces of nature (Cited by Lehninger, A.

radiation.
[13]

NY. p 259 – 315. (太陽の熱源、潮汐摩擦

Waterston,J.J. 1892,

Philosophical

Bioenergetics – The molecular basis ofTransaction of the Roy. Soc. London, A.

biological energy transformation, 197

183, 1 – 79, On the physics of media[20] Mayer, J. Robert 1848, Beiträge zur

that are composed of free and perfectly

Dynamik des Himmels in populären

elastic molecules in a state of motion.

Darstellung, Heilbronn Jahann Ulrich(これは 1845 年に不受理になった論文)

Landherr (ハイルブロンで行われた一般

表題は「運動状態にあって、完全な弾講演)性を持つ自由な分子によって構成され[21] Brosche, P. 1998, Science Tribute 12 月

る媒質の物理学について」である。

号 , December, Understanding tidal[14] Robert von Mayer, Wikipedia (伝記)

friction : A history of science in a[15]

http://en.wikipedia.org/wiki/Julius_vo

nutshell. (マイヤーの潮汐摩擦の理論のn_Mayer

紹介)

Mayer.

J.

Correlation

Robert
and

1851,

in

The

ConservationofForces, edited by E. L.Youmans, 1868,
D. Appleton and Co., NY. p 316 – 355,
The mechanical equivalence of heat.
[16]

Mayer.

J.

Robert1842,

Liebigs

Annalen der Chimie, 1842 年 版 ,Remarks on the forces ofinorganic

nature. 原論文は The Correlation andConservation of Forces, edited by E.
L.Youmans, 1868, D. Appleton and Co.

小暮智一（元京都大学）

社刊、p 250 – 258 に採録された(図６)。
邦訳は「近代熱学論集」（村上陽一郎編、
朝日出版社）に「生命なき自然界における力についての考察」として掲載されている。

天文教育 2010 年 11 月号（Vol.22 No.6）