Transcript PPT - 宇宙線研究室

The Hot Universe:激動の宇宙
－X線天文学入門－
第一日目
松本浩典
京都大学理学部物理第二教室宇宙線研究室
E-mail: [email protected]
(mail での質問歓迎します！)
Web: http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp/
2005年1月22日
西大和学園第一日目
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人間をX線で見ると...
キン骨マンbyゆでたまご
全く違う世界が見えてきます
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西大和学園第一日目
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宇宙も全く違った姿を見せます
かに星雲＝中性子星のいる超新星残骸
普通の光
X線
©CXC
2005年1月22日
西大和学園第一日目
©CXC
3
銀河団:巨大な火の玉
X線
普通の光
©CXC
銀河の集まり
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©CXC
数千万度の高温ガスの塊
注意：「ガス」とは単に「気体」という意味です。
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西大和学園第一日目
話の内容

X線とは何でしょう？（予備知識解説）
 X線天文学とは
 X線で見た宇宙
– 超新星爆発：星の最期の断末魔
来週の予定
•ブラックホール：光の監獄
•中性子星：角砂糖一個で10億トンの重さ！
•銀河団：宇宙最大の階層
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講義にあたってのお願い
講義中不明な点は、話途中でも構
わないので、いつでも遠慮なく質問
してください。
僕もみなさんがどんなことを不思議に思うの
か知りたいです。
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X線とはなんでしょう？
X線といえば…
レントゲン写真！！
体が透けて見える！
ちなみにこれは、
X線を発見した
レントゲンさんの
奥さんの写真です
結婚指輪
レントゲンさんは、１９０１年第１回目のノーベル
物理学賞を受賞しました。
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日本人もいい線行ってた！
レントゲンによるX線の発見…1895年(明治28年)
そのわずか10ヵ月後に、日本人もX線撮影に成功
島津源蔵＝島津製作所初代社長が初の撮影に成功
©島津製作所
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X線は光の一種！
光とは電磁波と呼ばれる波動の一種です。
電場と磁場が
振動しながら
空間を伝わります。
©ISAS/JAXA
では、目に見える光（可視光）とX線は何が違う
のでしょう？
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X線は波長の短い光
©ISAS/JAXA
光の種類
波長
普通の光＝可視光
0.00005cm程度=5x10-5cm
X線
原子一個分
0.00000001cm程度=1x10-8cm
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我々の目について
「見える」とは、物体から出た光（可視光）を我々の
目が「捕らえた」ことを意味します。
どうして我々の目は可視光を捕らえるようになっ
たのでしょうか？
なぜX線や赤外線を捕らえるようにはならなかっ
たのでしょうか？
鍵は、太陽の「スペクトル」にあります。
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スペクトルについて
©ISAS/JAXA
スペクトル
色んな波長の光が、
どのくらいずつ混
ざっているかグラフ
にしたもの。
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「スペクトル」を例えると…
ミックスジュースの成分表のようなもの。
内容物の成分グラフ
120
グラム
100
80
60
40
20
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牛乳
パイナップル
バナナ
いちご
みかん
0
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我々の目＝可視光専用カメラ
←
太陽スペクトル
＝どの波長をどれだけ出すか
沈む夕日。
光
の
量
可視光
赤外線
←短い
波長
長い→
太陽は可視光線をたくさん出すので、
我々の目はそれを受けられるように進化した
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波長とエネルギーの関係
光のエネルギー(E)は、波長(L)に逆比例します。
E∝1/L
可視光：波長 L=5x10-7 mぐらい
X線 ：波長 L=10-10 mぐらい
X線の波長は可視光の5000分の1ぐらい。
だからエネルギーは5000倍くらい。
エネルギーが高いので、人体も通過します。
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波長と温度の関係
短
波長
長
高
エネルギー
低
色
ガスの炎(2000度)
たばこの火(600度)
温度が高い物体ほど波長の短い光を出す。
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X線を出す物体の温度は？
温度はエネルギーの尺度のひとつです。
物体の温度(T)はその物体が出す光の波長(L)に逆比例。
T∝1/L
可視光を出す星: 太陽 6000度
X線の波長は可視光の5000分の1くらい。
だから、X線を出すには、温度は5000倍、
すなわち、5000 X 6000度 = 3000万度！！！
X線は数千万度以上の超高温物体からしか出ない！
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X線を出す天体は存在するか？
•太陽＝宇宙の中では平均点の星(6000 度)
•一番青い星(高温度)でも数万度
1960年代の普通の科学者
「宇宙にX線を出す星なんてあるわけないよ」
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物理学者ブルーノ・ロッシ
©MIT
「自然は人間よりもはるかに想像力
豊かである！」
1962年ロケットを打ち上げ、
初めて「X線星」を発見
ここ！
(1905-1994)
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この実験を一緒に行ったのが…
リカルド・ジャコーニー
(1931年～現在)
X線天文を切り開いた業績で、
小柴昌俊（日本）、
レイモンド・デービス（米国）
と共に、
2002年ノーベル物理学賞受賞！
(小柴、デービス両氏は
ニュートリノ天文学の開拓)
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一見不思議ですが…
可視光
X線
地球大気
X線は地球大気を貫
通できません。
可視光が貫通するのは、大気が可視光を通しやすい成分
でできているから。
逆に、人間の体は可視光を通しにくい物（炭素化合物など）で出来ている。
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大気の生い立ち
大気の成分: 窒素 78%+酸素 21%+残り(1%)
宇宙に多い元素
1. 水素
2. ヘリウム
3. 酸素
4. 炭素
5. 窒素
軽いから蒸発
軽いから蒸発
生物の体内に取り込まれた
結果として、酸素と窒素が大気中に多く残り、
これらは可視光を良く通す性質がある。
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観測には人工衛星を使う！
日本は継続的にX線天文衛星を打ち上げ、
世界をリードしてきた！
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はくちょう
1979--1985
ぎんが
1987--1991
てんま
1983--1989
あすか
1993--2001
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現在活躍中のX線天文衛星
アメリカ
チャンドラX線衛星
細かい構造まで
くっきり見える
ヨーロッパ諸国連合
XMMニュートン衛星
暗いものまで
はっきり見える
2001年のAstro-E衛星打ち上げ失敗により、
今日本にはX線天文衛星はない。しかし…
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日本次期X線天文衛星Astro-E2
日本は今年次の衛星Astro-E2を打ち上げる！
Astro-E2
世界一精密なX線スペ
クトルがわかる！
超新星爆発、ブラックホールな
どの謎に挑む！
みなさんが大学に入る頃、Astro-E2は間違い
なく世界一級の成果を出しています。
京都大学理学部物理学科に来ませんか？
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観測装置は手作り！
どこにも売ってないから…
京都大学、大阪大学、
宇宙科学研究所
マサチューセッツ工科大学
共同でASTRO-E2搭載用
X線CCDカメラを
開発中です。
X線写真とスペクトルの両方を得る
ことができるのが特徴
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実験風景図
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X線で観測する意義
•可視光＝普通の宇宙の姿
•X線＝エネルギーが高い！
発生場所のエネルギーも高い
何千万度の高温のような、
地上ではまずお目にかかれない世界、
宇宙の極限の姿を観測出来る！
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お待たせしました！
それではいよいよ宇宙の話に
入っていきます！
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膨張宇宙
現在宇宙は膨張し続けています。
(正確には、銀河と銀河の間の距離が増え続けてい
るということ。)
©須藤靖
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例えるなら、地球が膨張して
日本とオーストラリアの
距離が増えるようなもの。
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宇宙の始まり
ということは、さかのぼれば、宇宙は昔点のように
小さかった、つまり宇宙には始まりがあったというこ
とです。
ある銀河
遠ざかる速度v
距離 D
宇宙の年齢 = D/v = 約150億年
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原子はどこから？
誕生直後の宇宙には、水素 (H) と ヘリウム(He) 以外
の原子はほとんど存在しませんでした。
しかし現在は多種多彩
我々の体を作る、炭素（C）や
鉄(Fe)、空気中の酸素(O)や
窒素(N)などは、いったいどこ
で作られたのでしょうか？
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答：星の内部での核融合
星(恒星)はほとんどが水素
で出来た、高温ガス(気体)
です。自分自身の重力で、
自分自身を固めています。
圧力
重力
内部で核融合反応を起こして、水素から
色々な原子をつくり、その時発生した
エネルギーで輝いています。
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原子について
全ての物質は、原子から出来ています。
原子は、原子核と電子に分かれます。
原子核は陽子と中性子から出来ています。
電子は原子核周囲を回っています。
原子の性質は、陽子数、すなわち原子番号で決まります。
電子
ヘリウム原子の場合
中性子
陽子
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核融合とは
核融合反応とは、原子核どうしがくっついて、
陽子の数が増えて別の原子になる反応です。
恒星の内部では、始めに4つのHがくっついて1
つのHeになる核融合が起きます。
4H  He + 2e+ + 2ν + 10-12 cal
その後、He + He  Be
He + Be C
He + C  O
などの反応が起こって次々に新しい原子が出来る。
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人間が利用しているのは核分裂
原子力発電所では、逆に原子
核を壊したときに発生するエネ
ルギーを利用
（核分裂反応)。
まだ人類は核融合の平和利用に
は成功していない。
（水爆は核融合反応だが…）
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核融合の効率
太陽は、1秒に1026 cal ものエネルギーを核融合で生
み出すが、体重が2x1030kgもあるので、1kg当たりの
発生率は
1026 cal/s  2x1030kg = 5x10-5cal/s/kg
人間は、体重60kgぐらいの人が一日2000kcal消費す
るので、
2x106 cal 86400s (=1日) 60kg=0.4cal/s/kg
核融合って効率悪い！
太陽がすごく見えるのは、図体がでかいから。
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じゃぁなぜ人間は核融合を目指す？
答：材料(燃料)がいくらでも身の回りにあるから。
しかし、高温高密度の状態に物質を閉じ込めておく
ことができないので、まだ成功していない。
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核融合の進んだ星内部構造
たまねぎのような構造
をしていて、各層に色
んな原子が分布して
います。
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原子の放出
こうやって色々な原子が恒星内部で合
成されるが、このままでは星の外部には
出てこない。
太陽の8倍以上の質量の星は、寿命を終えるとき、
大爆発を起こします (超新星爆発)。
超新星爆発の時に、恒星内部で合成された原子
が宇宙空間に飛び散ります。
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超新星爆発
恒星は普段、核融合で発生した熱による外向きの圧力と、自分自
身の重力がつりあっている。
もし燃料(水素)がなくなったら、自分の重力に対抗する圧力がなくなる
ので、内部へ崩壊する。その時大爆発が起きる。
(アニメーション)
©CXC
ブラックホールか
中性子星が残る
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超新星爆発の実例
1987年2月23日の大マゼラン星雲
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1987年2月24日の大マゼラン星雲
超新星爆発
小柴先生は、この超新星爆発からのニュート
リノを検出した装置を作って2002年のノーベ
ル賞を取られました。
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超新星残骸
超新星は、1044Jものエネルギーを放出。
全世界の消費エネルギーの1026年分！
（ちなみに地球の年齢は4.6x109年）
これほど凄まじい爆発が起こると、周囲に
その痕跡が何万年も残ります。
これを超新星残骸と呼びます。
(アニメーション)
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超新星残骸の温度は？
超新星爆発による爆風速度(v)は、約10000km/s。
水素原子がこの速度で飛び出したとき、運動
エネルギーは、
E = ½ mv2 = 8.4x10-14J
ここで 水素の質量 m=1.67x10-27kg
この運動エネルギーが温度に変わったら、
一体何度になるでしょう？
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魔法の定数：ボルツマン定数
エネルギー (E) と温度 (T:絶対温度) には非常に
簡単な関係があります。
E=kT
ここで、k:ボルツマン定数1.38x10-23J/K
先程の場合、E=8.4x10-14J だったので、
T=E/k=6.1x109K=約60億度
実際には種々の影響で数千万度の物が多いが、
いずれにしても超高温なのでX線を出す。
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超新星残骸のX線写真集
Cassiopeia A
E0102-72
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Kepler
G320.4-1.2
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©CXC
Crab
W49B
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超新星残骸カシオペアA
約300年前の超新星爆発の跡！
X線写真
©CXC
１０光年
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どんな原子が放出されたか？
X線スペクトルを見ればわかります。
©ISAS/JAXA
各原子はその原子に特有のエネルギーを
持った吸収線や輝線X線を出します。これを
特性X線といいます。
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特性X線
X線
電子が、原子核周囲
の軌道を変わるときに、
特性X線が放出された
り吸収されたりする。
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カシオペアAのX線スペクトル(1)
曲がり具合から
温度がわかる。
温度約３０００万度！
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カシオペアAのX線スペクトル(2)
各原子に特有の線が出る
どんな原子がそこにあるのかわかる
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人間の体
我々の体には、炭素や鉄やカルシウムなど
多くの原子が含まれていますが、これは
全てどこかの星の内部で作られたものです。
人間は星の子供です！
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爆発の影響は地球にも及んでいる！
地球には、絶えず「宇宙線」と呼ばれる高エネル
ギー粒子(放射線)が降り注いでいる！
ピッ！
ガイガーカウンター
高エネルギー粒子
が通ると、電流が一
瞬流れて音が鳴る
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空気シャワー反応
一次宇宙線
（陽子など）
大気中の原子と次々
に反応
我々が浴びてい
る二次宇宙線
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一次宇宙線のエネルギー？
宇宙には、一粒で16Jもの運動エネルギーを持つ
宇宙線も存在する！
比較:
プロ野球日本記録 (158km/h)の野球
ボールの運動エネルギーは、
E=1/2MV2
=1/2x(0.145kg)x(158km/h)=140J
元阪神
伊良部投手
今怪我のリハビリ中
陽子一個は1.67x10-27kg(野球ボールの1026分の1)しか
ないのに、運動エネルギーは1/10に迫る！
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一次宇宙線はどこで生まれた？
SN1006
超新星残骸のX線写真とスペクトルを詳しく解析し、
超新星残骸で宇宙線が生まれていることを実証した。
（我々の研究室の成果です！）
2005年1月22日
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まとめ
1.
2.
3.
4.
X線はエネルギーの高い光の一種である。
X線を発生している場所もエネルギーが高い。
X線で宇宙を見ると、激しいところばかりが見える。
超新星爆発により、宇宙にHとHe以外の原子が増え
てきた。
5. 人間の体は、昔は一度は星の中にいた。
6. 超新星爆発は宇宙線も生み出す。
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