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2009.02.09-10 島根大学集中講義 1
第3講:
宇宙は何からできているか?
1.
宇宙で最も沢山ある粒子
2.
宇宙で2番目に多い粒子
3.
宇宙で1番多い物質
4.
宇宙で最も大量にあるエネルギー
2009.02.09-10 島根大学集中講義 2
1.
宇宙に一番沢山ある粒子
”光”
宇宙マイクロ波の宇宙論における役割
現代宇宙論の基礎
数学:
一般相対性理論
.(膨張宇宙は一般相対論の解:
観測で裏付け)
入力:
ホットビッグバン
2009.02.09-10 島根大学集中講義 3
宇宙の歴史
ビッグバン…
インフレーション
晴れ上がり(宇宙マイクロ波) 。
現在
。
クォーク・グルーオン
プラズマ
。
38
万年
3 分
10-37 秒
10 億年137 億年
10-5 秒10-10 秒
10-44 秒
2009.02.09-10 島根大学集中講義 4
熱いスープ
ホットビッグバン
宇宙スープのレシピ温度
3,000,000,000,000,000度で1秒間煮沸する
材 料56% クォーク16% グルーオン9% 電子・ミュー・タウ9% W と
Z
5% ニュートリノ2% フォトン2% グラヴィトン1% ヒッグスボソン秘密材料(特許)
暗黒物質暗黒エネルギー
2009.02.09-10 島根大学集中講義 5
一般相対性理論
出力
アインシュタインは宇宙論を宗 教 から科学に変えた
(神の方程式)1
2Rμν- - gμνR = 8πGTμν
入力(神の一撃)
ホットビッグバン
2009.02.09-10 島根大学集中講義 6
エドウィン・ハッブル(1889-1953)
遠い銀河ほど速く遠ざかる
赤方遷移
z
明る
さに
よる
距離
セファイド
.
1929
1998
超新星
.
赤方遷移
z
明る
さに
よる
距離
後退速度
膨張宇宙の発見(1929)
プレゼンタープレゼンテーションのノート恒星社:銀河と宇宙B.Schwarzshild, Phys. Today, June’98, p17
2009.02.09-10 島根大学集中講義 7
0 1秒 2秒-1秒
2m
1m2m
3m
4m 6m
宇宙の一様膨張:
あらゆる点が互いに遠ざかる
空間が膨張:
テントウムシは静止している。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 8
最初に距離 1Mpc離れていると、1秒後には1Mpc+72km、2秒後には1Mpc+144km離れる
最初に距離 2Mpc離れていると、1秒後には2Mpc+144km、2秒後には2Mpc+288km離れる
宇宙の膨張ハッブルの法則:
V=H0
d H0
=ハッブル定数
.H0
=72 km/s/Mpc,
銀河の遠ざかる速度は銀河までの距離に比例する。
1Mpc=3.26
x106
光年
.
2009.02.09-10 島根大学集中講義 9
ハッブル定数が表す三つの重要な量
* 2
時間をさかのぼると、ある時刻で一点に収縮する。
.
宇宙の年齢≒1/H0
=137億年
* 1
十分遠くへ行くと、速度は光速度を超える。
宇宙の果て≒ c/H0
=137億光年
注:
*1,*2
は近似式
.
* 3
物質の重力を振り切って膨張を続けられるか?
2009.02.09-10 島根大学集中講義 10
脱出速度
地球からの脱出速度11.2km/sec
地球の質量に依存する
プレゼンタープレゼンテーションのノート脱出速度 V=√(2GM/R)太陽の618km/secは太陽表面から42.2.km/secは地球から発射する場合の脱出速度
2009.02.09-10 島根大学集中講義 11
宇宙の脱出速度 (物質だけ考慮した場合)
宇宙の大きさ
時 間現在
ΩM > 1
ΩM = 1
ΩM
2009.02.09-10 島根大学集中講義 12
火の玉宇宙論提案者
αβγ 論文 (1948)
Phys. Rev. 73(1948), 803
ジョージ・ガモフ(1904-1968)
2009.02.09-10 島根大学集中講義 13
宇宙は熱かった
宇宙のあらゆる方向から来る 絶対温度2.7度の電波雑音
誕生後40万年の宇宙の姿1965
ペンジャス・ウィルソン宇宙マイクロ波の発見 (1965) 20032003
WMAP (2003)
2003
10-5の精度
.
2009.02.09-10 島根大学集中講義 14
光光
宇宙マイクロ波は何時の時代の光?
温度温度::
1010億K億K
30003000KK
2.725K2.725K
水素原子形成
晴れ上がり
ビッグバン.
元素合成
.
=陽子・電子と
ヘリウム原子核のプラズマ
宇宙は膨張: 低温に
透明な宇宙透明な宇宙不透明な宇宙
.137億年
2009.02.09-10 島根大学集中講義 15
宇宙構造の成長過程インフレーション
ビッグバン
晴れ上がり
現在の宇宙
時間
宇宙のしわが大きくなる
こうして現在の宇宙ができた。
.
.
2009.02.09-10 島根大学集中講義 17
The VIRGO project
約30万個の銀河地図30億光年の彼方
12億光年
.
シミュレーション
宇宙の大規模構造
SDSS
map
2009.02.09-10 島根大学集中講義 18
宇宙マイクロ波を量子力学に従い光の粒子・フォトンとして数えると
フォトン数=400/cm3
星の光より圧倒的に多い
陽子・中性子・電子などの物質粒子の数は物質粒子数= 0.2/m3
光は宇宙に最も沢山ある粒子
2009.02.09-10 島根大学集中講義 19
2.
宇宙で2番目に沢山ある粒子
ニュートリノはそこら中にあるが、誰も気づかない
ニュートリノは電気的に中性で、貫通力が強い。
“電気力や強い力は働かないが、弱い力が働く粒子”
ニュートリノの役割は?
2009.02.09-10 島根大学集中講義 20
太陽ニュートリノは地球を突き抜ける (実は鉛10光年分の厚さも通り抜ける)
太陽ニュートリノを調べれば、太陽の内部構造が判る。
太陽
(地球に600億個/cm2秒)
地球
(1億個に1個地球に当る)ニュートリノが燃焼速度をコントロールするので、太陽は45億年間、静かに燃え続け、生物の誕生進化を促した。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 21
ニュートリノ望遠鏡岐阜県神岡鉱山にあるスーパーカミオカンデ
2009.02.09-10 島根大学集中講義 22
ニュートリノで星の内部が覗ける。 (星のX線写真)
2009.02.09-10 島根大学集中講義 23
太陽の8倍以上重い星の一生
爆発寸前の超新星
.
(赤色超巨星)(青色超巨星)
ニュートリノが水素燃焼速 度をコントロールするので
核反応はゆっくりと進行し、水素とヘリウム以外の元素が星の中で作られる。
鉄以上の重元素は、超新星爆発時に作られる。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 24
宇宙の元素組成水素とヘリウムで99.9%を占める。
ビッグバン時に、水素とヘリウムそしてわずかな重水素とリチウムが作られた。
残りの重元素は全て星の中と超新星爆発時に作られた。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 25
太陽の8倍以上重い星の一生
爆発寸前の超新星
.
(赤色超巨星)(青色超巨星)
太陽は50億年後に赤色巨星となり
.
外殻を吹き飛ばして惑星状星雲になる。芯は白色矮星になる。
太陽は45億歳、余命50億年
2009.02.09-10 島根大学集中講義 26
ニュートリノ爆弾超新星が爆発して、中性子星やブラックホールができる。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 27
超新星爆発
.
カミオカンデ
2002年ノーベル物理学賞
プレゼンタープレゼンテーションのノートニュートリノが何故光より速いのかという質問が何度かある。ニュートリノが光速より速く飛んでいるとの誤解もあるので、説明を丁寧にする必要あり。また、爆発後なぜ3時間後に光るかも要説明。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 28
星の一生とリサイクル
2009.02.09-10 島根大学集中講義 29
ニュートリノの役割ニュートリノを使えば、光や電波では見えない
星の深奥部を見ることが出来る。45億年昔、太陽の近傍で超新星爆発が起こり、その衝撃波
を受けて太陽系が誕生した。星の中の核融合をゆっくりと進行させ、種々の元素を合成す
る手助けをした。超新星爆発を起こし、元素を全宇宙に配給した。太陽の燃焼速度をコントロールして、常に代わらぬエネル
ギーを地球に与え続け、生命を発生進化させた。つまりわれわれはニュートリノのお陰で存在する。
これらは全てニュートリノが弱い力を持つことが原因
2009.02.09-10 島根大学集中講義 30
大気
太陽超新星 ビッグバン
原子炉 加速器
地殻 (ウラニウム等)
ニュートリノは何処にいるか?
宇宙線(陽子)
.
高エネルギー
.
シャワー
ビッグバンの化石ニュートリノは
.まだ検出されていない。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 31
ビッグバンからの宇宙(化石)ニュートリノは宇宙のマイクロ波放射と同様にしてできた。
ニュートリノ数=330/cm3
(光は400/cm3)
光の次に沢山ある粒子。(通常粒子バリオンの100億倍)宇宙ニュートリノが検出できれば、ビッグバン直後1秒の宇宙の姿が判る。
(化石の光は38万年後)
宇宙ニュートリノの検出方法はまだ判らない。
そこら中に充満しているのに見えない幽霊粒子無の粒子
2009.02.09-10 島根大学集中講義 32
3.
宇宙で一番多い物質
暗黒物質(物質としては最も大量にある)
2009.02.09-10 島根大学集中講義 33
現代天体物理のミステリー
暗黒物質の存在
暗黒物質とは正体不明の光らない物質
あちこちに塊となって存在するので、
重力効果で検知可能
1933年にツヴィッキーが指摘
(Fritz Zwicky、1898-1974)
プレゼンタープレゼンテーションのノート暗黒物質の存在証拠 銀河について: 回転曲線
銀河団について (3以降はモデル最適化)1.M/Lの比(200±70)x平均輝度2.M/B(~0.15)x(宇宙論のB=0.045±0.0025)3.分布の時間経過(n(z=0) vs n(z~1))4.パワースペクトル5.重力レンズ効果6.CMBゆらぎの非等方性
2009.02.09-10 島根大学集中講義 34
宇宙の見える星の量宇宙の見える星の量
ハッブル望遠鏡で100億光年彼方の
深宇宙を覗く
ここに3000個の銀河
2009.02.09-10 島根大学集中講義 35
全宇宙では1000億個の銀河
それでも見える星の量は
臨界質量の~0.5%
約30万個の銀河地図
.30億光年の彼方まで
SDSS
map
2009.02.09-10 島根大学集中講義 36
A B C
剛体回転(車輪タイプ)
ケプラー回転(惑星タイプ)
回転速度VA
BC
中心からの距離r
VVはは
rr
に比例に比例
A
B
C回転速度V
中心からの距離r
A
BC
質量M
.
暗黒物質の存在証明
1.
渦巻き銀河の回転速度
2009.02.09-10 島根大学集中講義 37
観測
期待される渦巻き銀河の回転曲線の形
剛体回転 ケプラー回転
中心からの距離
暗黒物質速度
2009.02.09-10 島根大学集中講義 38
暗黒物質の証拠:例2 (超銀河団内銀河の乱雑運動)
かみのけ座銀河団
2.9億光年
2009.02.09-10 島根大学集中講義 39
暗黒物質の証拠:例3 (銀河団:
巨大X線源)
巨大銀河団MS1054-0321
プレゼンタープレゼンテーションのノート巨大銀河団MS1054-0321 80億光年の彼方最も遠いX線銀河団であり、画像には数百個もの銀河が写っている。青色の分布はこの銀河団のX線の広がりを表す。銀河団間ガスは1億度以上の熱いプラズマとなっている。このようなガスを保持するには、見える質量の10倍以上の質量を必要とする、
2009.02.09-10 島根大学集中講義 40
重力レンズ効果による像の歪み
大質量
2009.02.09-10 島根大学集中講義 41
遠くの光源
レンズ(銀河、銀河団)
光の経路
暗黒物質存在の証拠
例4
重力レンズ
2009.02.09-10 島根大学集中講義 42
アインシュタインリング観測例
2009.02.09-10 島根大学集中講義 43
ハッブル宇宙望遠鏡が発見した重力レンズ効果
2009.02.09-10 島根大学集中講義 44
2009.02.09-10 島根大学集中講義 45
結論:
宇宙の物質量は臨界質量の28%
そのほとんどが暗黒物質通常物質(陽子・中性子など)は4%
暗黒物質は通常物質ではない
最有力候補は,素粒子統一理論で予言する
ニュートラリーノ
や
アクシオン
注:
ニュートリノは暗黒物質ではなかった。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 46
4.
宇宙で最も多いエネルギー形態
.
(暗黒エネルギー)
暗黒エネルギーはどうやって発見されたか?暗黒エネルギーの正体は何か?宇宙の終焉はどうなるか?
2009.02.09-10 島根大学集中講義 47
宇宙の運命は?
宇宙の大きさ
時 間現在
ΩM > 1
ΩM = 1
ΩM
2009.02.09-10 島根大学集中講義 48
過去
未来
宇宙の運命を知るために、過去の膨張速度を調べた。.方法:
遠方銀河の速度と距離を測定
速度:
ドップラー効果による光の赤方遷移距離:
標準光源の明るさを測定
現在
2009.02.09-10 島根大学集中講義 49
宇宙の運命を知るためには、(1)過去の膨張速度を調べる。.方法:
遠方銀河の速度と距離を測定
速度の測定:
ドップラー効果による光の赤方遷移
.(易しい測定。)
距離の測定:
標準光源の明るさを測定(結構難しい。)
(2)宇宙にある物質量を調べる。
方法:
星や銀河の数を数える。速度分布を測る。重力レンズを使う。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 50
絶対光度のわかっている光源があれば、 見かけの光度から距離がわかる。
見かけの明るさ
.
2009.02.09-10 島根大学集中講義 51
絶対光度が判っているので、標準光源として最適
.
Ia
型超新星
I,
II型:
水素がない(ある)。Ia
型:
Si
がある。
.
2009.02.09-10 島根大学集中講義 52
Ia
型超新星であることは、 スペクトル(色の分布)で判る。
.
2009.02.09-10 島根大学集中講義 53
Ia型超新星であることは、スペクトル型から判る。
輝度
Ia型の証明(珪素吸収線)
補正前
補正後
光度曲線
2009.02.09-10 島根大学集中講義 55
3週間前 現 在
引き算後超新星発見
地上観測写真
Supernova 1998baSupernova Cosmology Project
ハッブル望遠鏡写真
超新星の見つけ方
.
地上撮影より衛星撮影の方が鮮明
2009.02.09-10 島根大学集中講義 56
超新星は、赤方遷移zの関数として、近傍 (z
2009.02.09-10 島根大学集中講義 57
プレゼンタープレゼンテーションのノートExpansion is not slowing down at ALL - in fact it’s speeding up.Anti-gravity - cosmological constant??Something that causes repulsive gravity, unlike attractive matter. “Dark energy”
2009.02.09-10 島根大学集中講義 58
•重力は万有引力 通常物質は膨張を減速させる
加速度 = - G X{M(質量)+3P(圧力)}
加速宇宙は可能か?
ニュートン
. アインシュタイン
•負の圧力があれば加速に転じることは可能•真空のエネルギーは、正のエネルギー• かつ負の圧力を持つ• アインシュタインの宇宙項
(反重力の存在)
2009.02.09-10 島根大学集中講義 59
結論:
暗黒エネルギーが存在する
暗黒エネルギーとは、物質の形態をとらないで、一様に広がってい
る正体不明のエネルギーの総称(注:
暗黒物質はかたまりとして散在する)
暗黒エネルギーの候補:
宇宙項現代用語
宇宙項=真空エネルギー
2009.02.09-10 島根大学集中講義 60
一般相対性理論は宇宙が膨張もしくは収縮 の途中であることを示す。
アインシュタインは宇宙を安定させるために、 斥力としての宇宙項を導入した。
1927年に宇宙の膨張が発見されると、わが生 涯最大の過ちであるといって、宇宙項を放棄
した。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 61
アイタ!2重のミスだわい
暗黒エネルギーの正体
?
2009.02.09-10 島根大学集中講義 62
宇宙項は、数学的には方程式に入れても良いが、アインシュタイ ンは入れる必要性を認めなかった。
現代用語では、真空エネルギーと言う。斥力であるから加速膨張をもたらす。
宇宙論研究者は、宇宙初期にインフレーション(急激加速膨張)が あったと信じている。
インフレーションを引き起こした真空エネルギーは、その後、熱化 して電磁波や物質となり、完全に消えたと思われていた。
明らかに、自然はごくわずかな真空エネルギーを残すことを選ん だのである。
宇宙項が復活した
2009.02.09-10 島根大学集中講義 63
インフレーション期の真空エネルギー密度~10
90gr/cm3
現在の真空エネルギー密度~10-29gr/cm3
どうやって、完全に消さずに、120桁もの小さい量を残せるの か?
科学史上最大の計算ミス? 小数問題
どうして今になって現れたのか? 偶然問題
宇宙論研究者は今、途方にくれている。21世紀物理の最大課題
2009.02.09-10 島根大学集中講義 64
これまでに述べた4つの主題は互いに関連している。
一般相対論の要請
Ωrad
+ ΩΜ
+ ΩΛ
=1- ΩK
~
0 0.26 0.74 0
宇宙の曲率輻射密度
物質密度
真空エネルギー密度
=0: インフレーション~0:
三角測量測定
宇宙の全エネルギー密度は、臨界密度に等しい
偶然問題:
Ωrad
~D-4, ΩΜ
~D-3, ΩΛ
=定数
2009.02.09-10 島根大学集中講義 65
宇宙物質の組成
暗黒物質
.
2009.02.09-10 島根大学集中講義 66
宇宙の終焉は?
減速膨張 宇宙の果てはどんどん拡がる加速膨張 宇宙の果てはどんどん狭まる。
淋しい宇宙:
加速膨張宇宙では、遠くの銀河から消え去り、最後はアンドロメダ銀河以外の隣人は、皆居なくなる。
~1000億年悲しき宇宙:
その前に、天の川銀河はアンドロメダ銀河と衝突する。
~50億年人類の運命は?
太陽が赤色巨星となり地球を飲み込む。
~50億年
加速膨張:
Hは時間と共に大きくなる。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 67
まとめ宇宙で1番数の多い粒子はフォトンで、ビッグバン
の化石宇宙で2番目に多い粒子は、ニュートリノ。ニュートリノは星のサイクル、重元素合成に大きな
役割を果たす。暗黒物質は、宇宙で宇宙で最も多い物質形態。正体は不明。
暗黒エネルギーはエネルギー的には、宇宙で最大 量を誇り、加速膨張をもたらすが、正体は不明。
2009.02.09-10 島根大学集中講義 68
終わり
第3講
宇宙は何からできているか?
2009.02.09-10 島根大学集中講義 69
スライド番号 1スライド番号 2スライド番号 3ホットビッグバン一般相対性理論 スライド番号 6スライド番号 7スライド番号 8スライド番号 9スライド番号 10スライド番号 11スライド番号 12スライド番号 13スライド番号 14スライド番号 15宇宙の大規模構造スライド番号 18スライド番号 19太陽ニュートリノは地球を突き抜ける� (実は鉛10光年分の厚さも通り抜ける)�太陽ニュートリノを調べれば、太陽の内部構造が判る。スライド番号 21スライド番号 22スライド番号 23スライド番号 24スライド番号 25スライド番号 26スライド番号 27スライド番号 28スライド番号 29スライド番号 30スライド番号 31スライド番号 32現代天体物理のミステリースライド番号 34スライド番号 35スライド番号 36スライド番号 37スライド番号 38暗黒物質の証拠:例3 �(銀河団: 巨大X線源)重力レンズ効果による像の歪みスライド番号 41アインシュタインリング観測例スライド番号 43スライド番号 44結論: 宇宙の物質量は臨界質量の28%スライド番号 46スライド番号 47スライド番号 48スライド番号 49スライド番号 50スライド番号 51スライド番号 52スライド番号 53超新星の見つけ方 .スライド番号 56スライド番号 57加速宇宙は可能か?結論: 暗黒エネルギーが存在するスライド番号 60スライド番号 61スライド番号 62スライド番号 63スライド番号 64宇宙物質の組成宇宙の終焉は?スライド番号 67終わりスライド番号 69