流星は白い光の筋として見えることが多い一方、明るい火球では黄色、緑、赤、オレンジなどの色がはっきり見えることがあります。
この色は、流星体そのものが一色に熱く光っているだけで生まれるのではありません。流星体が大気へ高速で突入すると、流星体から蒸発したナトリウム、マグネシウム、鉄などの原子と、地球大気中の酸素や窒素が励起・電離されます。それぞれの原子・分子は固有の波長で光を放つため、その組み合わせが私たちに「流星の色」として見えるのです。
結論：流星の色は、流星体と大気が放つ複数の発光線を人の目やカメラがまとめて見たもの
国立天文台は、流星の色が発光している原子や分子によって変わり、たとえばマグネシウムや酸素が緑色、窒素が赤色の光に寄与することがあると説明しています。
NASAも、火球の光は連続した一色の光ではなく、多くの原子が特定の波長で放つ発光線に強く支配されると説明しています。流星体から蒸発した鉄、マグネシウム、ナトリウムなどに加え、周囲の大気成分も発光へ参加します。
つまり、流星の色は「流星体の材料だけ」でも「大気だけ」でも決まりません。流星体と地球大気の両方が作るスペクトルを、人の目やカメラが一つの色として受け取った結果です。
原子ごとに色が違うのは、電子が決まったエネルギー準位を持つから
原子の電子は、どんなエネルギーでも自由に取れるわけではありません。元素ごとに決まったエネルギー準位を持っています。
流星体が大気へ高速で入ると、激しい衝突によって原子や分子が励起され、電子が高いエネルギー状態へ移ります。その電子が低い状態へ戻るとき、差に相当するエネルギーを光子として放出します。
エネルギー差は元素ごとに異なるため、出る光の波長も違います。このため、ナトリウム、マグネシウム、鉄、酸素、窒素などは、それぞれ特徴的な波長の光を出します。
流星の色は、この「元素ごとの光の指紋」が重なった結果なのです。
ナトリウムは黄色からオレンジ色の光へ強く寄与する
流星スペクトルで非常に目立つ成分の一つがナトリウムです。
ナトリウムには約589nm付近に強い発光線があり、人の目には黄色から黄橙色に見えます。明るい流星でナトリウム線が強い場合、流星全体が黄色っぽく見えることがあります。
ナトリウムは比較的揮発しやすいため、流星体が加熱され始めた段階で早く気体化し、軌跡の前半で強く現れる場合があります。
ただし、黄色く見えたからといって「ナトリウムが非常に多い」と単純には断定できません。線の強さは元素量だけでなく、速度、温度、発光高度、アブレーションの進み方にも左右されます。
マグネシウムは緑色の発光へ寄与する
マグネシウムも流星スペクトルで頻繁に観測される代表的な元素です。
マグネシウムには約518nm付近に強い発光線があり、可視光では緑色に見えます。国立天文台も、流星で見える緑色の例としてマグネシウムを挙げています。
特に明るい流星では、マグネシウムの発光が他の線と重なり、白緑色や青緑色のような印象になることがあります。
しかし、緑色のすべてがマグネシウム由来とは限りません。地球大気中の酸素も緑色の発光に寄与するためです。
酸素や窒素など、地球大気そのものも色を作る
流星体が作る高温の気体には、流星体由来の物質だけでなく、周囲の大気成分も大量に含まれます。
酸素原子は緑色を含む特徴的な発光を示し、窒素分子や窒素イオンは赤色系の光へ寄与します。
このため、流星の色からそのまま流星体の化学組成を読み取ることはできません。赤や緑の光の一部は、宇宙から来た物質ではなく地球大気が発している可能性があるからです。
流星の光は、宇宙物質と地球大気が超高速で混ざり合って作る発光現象だと考える必要があります。
鉄は多数の発光線を持ち、流星の複雑な色合いを作る
鉄も多くの流星体に含まれる主要元素です。
鉄は可視光域に非常に多くの発光線を持つため、「鉄ならこの一色」と簡単には言えません。複数の鉄線が緑から黄、橙色付近まで広く重なり、流星の全体的な白色や黄白色の発光へ寄与します。
2024年のMNRAS研究では、3000個を超える流星スペクトルについて、ナトリウム、マグネシウム、鉄の線強度が比較され、流星群や速度・軌道条件による違いが分析されました。
このように、実際の流星は一つの元素だけで光るのではなく、多数の発光線が同時に重なっています。
流星の色は、途中で変化することがある
一つの流星でも、軌跡の初めと終わりで色が変わって見えることがあります。
その理由の一つが「差動アブレーション」です。流星体に含まれる物質は、すべて同じ温度で同時に蒸発するわけではありません。比較的揮発しやすい成分が先に放出され、より高温まで残る成分が後から強く発光することがあります。
2011年の10月りゅう座流星群の分光研究では、ナトリウム、マグネシウム、鉄、大気窒素などの発光強度が軌道上で異なる変化を示し、物質ごとにアブレーションの進み方が違うことが確認されています。
そのため、流星が途中で黄色から緑白色へ変わるなどの現象は、流星体の温度上昇と物質放出の時間差を反映している可能性があります。
速度が違うと、同じ組成でもスペクトルの見え方が変わる
流星体の速度は、発光条件を大きく左右します。
高速な流星では、大気との衝突エネルギーが大きくなり、より高い励起状態や電離状態が作られやすくなります。低速流星では目立たないイオンの線が、高速流星では強く現れることもあります。
MNRASの大規模スペクトル研究でも、ナトリウム、マグネシウム、鉄の相対的な線強度は、化学組成だけでなく地心速度や発光開始・終了高度と関係することが示されています。
したがって、「同じ元素を含む流星体なら必ず同じ色」ではありません。速度が違えば、どの発光線が強く見えるかも変わり得ます。
発光高度が変わると、大気由来の色の割合も変わる
流星は高度100km前後を含む上層大気で発光しますが、すべてが同じ高度を通るわけではありません。
高度によって大気密度が違い、衝突回数や温度、電離状態も変化します。高い場所では希薄な大気の中で発光し、下降するにつれて周囲の大気分子との相互作用が強くなります。
その結果、同じ流星の途中でも、流星体由来の線と大気由来の線の相対的な強さが変化することがあります。
色の時間変化を考えるときには、流星体の組成だけでなく「どの高度で光っているか」も重要です。
破砕すると、色の見え方が急に変わる場合もある
大きな流星体が途中で破砕すると、新しい表面が一気に露出し、多量の物質が短時間でアブレーションします。
それまで内部にあった成分が急に気体化すれば、スペクトル線の強度比も変わります。その結果、急な増光と同時に色合いが変わることがあります。
ただし、非常に明るいフレアではカメラが飽和し、本来の色を正しく記録できない場合があります。
「色が急変した」という観測を物質変化と判断するには、光度曲線やスペクトル、カメラの飽和状態を同時に確認する必要があります。
肉眼で感じる色と、分光器が測るスペクトルは同じではない
人間の目は、暗い環境では色を感じにくくなります。暗い流星は実際に複数の発光線を持っていても、肉眼では白や灰白色にしか見えないことがあります。
反対に、非常に明るい火球では目の色覚が働きやすくなり、緑や黄色、赤などがはっきり感じられます。国立天文台も、特に明るい火球では色が分かりやすいと説明しています。
カメラでも、センサー感度、ホワイトバランス、露出、レンズ、画像処理によって記録される色が変わります。
そのため、科学的に元素を調べる場合は「見た目の色」だけではなく、光を波長ごとに分ける分光観測を使います。
色だけを見て、流星体の成分を断定できない
流星の色には組成情報が含まれていますが、色は成分分析の完成形ではありません。
ナトリウムの黄色やマグネシウムの緑が強く見えても、その強さは元素量だけでなく速度、温度、質量、発光高度、差動アブレーションなどで変化します。さらに、大気の酸素や窒素も同じ可視光域で発光します。
2024年のMNRAS研究でも、Na、Mg、Feの線強度を解釈するには、流星体の軌道・速度・発光高度を合わせて見る必要があることが示されています。
したがって「緑だからマグネシウムが多い」「黄色だからナトリウム質の流星体」と見た目だけで決めるのは危険です。
分光すると、色を元素ごとの発光線へ分解できる
流星の前に回折格子などを置いて撮影すると、流星の光を波長ごとに分けたスペクトルを記録できます。
すると、肉眼では一つの色に見えていた光が、ナトリウム、マグネシウム、鉄、大気成分などの多数の線に分かれて見えます。
各線の波長と強度を測り、速度や温度を考慮すると、流星体の化学的特徴を比較できます。流星群ごとの粒子組成や、彗星由来・小惑星由来の流星体の違いを調べる研究にも利用されます。
色は、分光学的には「多数の線を人の目がまとめて感じた結果」です。スペクトルへ分解することで、初めてその中身を詳しく読めるのです。
まとめ
流星と色が関係しているのは、流星体と地球大気に含まれる原子・分子が、高速突入で励起・電離され、それぞれ固有の波長で光を放つからです。
ナトリウムは黄色から黄橙色、マグネシウムや酸素は緑色、窒素は赤色の発光へ寄与します。鉄も多数の発光線を持ち、複雑な白色・黄白色の光を作ります。
しかし、流星の色は化学組成だけでは決まりません。速度、温度、発光高度、差動アブレーション、破砕、大気成分、観測装置の感度によっても変わります。同じ流星の途中で色が変化することもあります。
そのため、色は流星体の成分を知る重要な手掛かりですが、見た目だけで元素量を断定することはできません。科学的には、流星の光をスペクトルへ分解し、Na、Mg、Feや大気成分の発光線を速度・軌道・高度と合わせて解析します。
つまり流星の色は、宇宙から来た粒子の材料と、地球大気との超高速衝突が同時に作り出す「発光スペクトルの見た目」なのです。
関連記事
参考資料
- 国立天文台「私が見たものは流れ星だったのでしょうか？」
- NASA Ames「Interesting Fact of the Month 2021」
- Monthly Notices of the Royal Astronomical Society「A statistical analysis of over three thousand meteors and their spectra」
- Monthly Notices of the Royal Astronomical Society「2011 October Draconids outburst – II. Meteoroid chemical abundances from fireball spectroscopy」
コメント