Transcript PPT - U研

X線で暴く暗黒宇宙
--X線天文衛星「すざく」の成果を中心に--
松本浩典
名古屋大学 理学部Ux研究室 & 現象解析センター (KMI)
1/51
通常の天文学 (乙女座銀河団)
~100万光年
2
/51
X線でみると…
3
/51
目で見る宇宙と、X線の宇宙
宇宙観が変わる!
可視光
銀河団 = 銀河の集団
X線
銀河団 = 数千万度の火の玉
~100万光年
©SDSS
©RASS4
/51
天文学の「暗黒」
「暗黒」=人の目に見えない
物質3.6% ニュートリノなど0.4%
暗黒物質23%
暗黒エネルギー73%
宇宙の組成
暗黒物質の分布
暗黒星雲
5/51
X線だって人の目に見えませ
ん。
X線で見た宇宙は「暗黒」！？
可視光で見る宇宙と、全く異なる世界をお楽しみ下さい。
6
/51
内容
•
•
•
•
•
X線とは？
X線天文衛星
銀河団
超新星残骸
巨大ブラックホール
7/51
X線の発見: レントゲン(1895年)
Roentgen(1845-1923)
1901年ノーベル物理学賞
奥さんの手の写真
8
/51
X線とは？
• 発見当初: 正体不明の「X」
• 現代的な見方: 光の一種。ただし「色」が違う。
プリズム実験
虹: 天然のプリズム実験
9
/51
X線=青すぎる光
光の色 = 光の波長 (波長短いと青い)
Ｘ線の波長: 0.01~1 nm (原子1個程度; 1nm = 1/1000μm)
(可視光の波長: 0.4～0.8μm)
携帯電話、テレビ
リモコン、こたつ
お肌の敵
癌治療
10
/51
光の色と温度(エネルギー)
物体の温度=エネルギーが高いほど、出る光は青い
赤い光
温度低い (~600℃)
青い光
温度高い(～数万度)11 /51
X線の発生:高エネルギー現象
X線 = 青すぎる光
比較: 青白い恒星の表面温度 ~ 数万度
X線を出す物体の温度
1000万度以上=高エネルギー現象。
X線で宇宙を見ると、 極端にエネルギーの高い
(変わった、そして面白い)世界ばかりが見える。
12
/51
世界のX線衛星の例
X線は地球大気を貫通できない。人工衛星による観測。
欧米の巨大X線天文衛星
アメリカ: Chandra衛星
ヨーロッパ: XMM-Newton衛星
鮮明なX線画像
微弱なX線天体でも見える
13
/51
日本のX線天文衛星
小型・中型ながら、特色のある衛星を継続的に打ち上
げ、世界をリード。
はくちょう
1979-1985
ぎんが
1987-1991
てんま
1983-1989
あすか
1993-2001
14/51
X線天文衛星すざく(2005年以降)
微弱なX線天体でも良く見える。X線のエネルギー測定も得意。
キトラ古墳
「朱雀」
15
/51
名古屋大学Ux研の貢献:X線望遠鏡
集光能力が高く、しかも軽いX線望遠鏡を開発
明日(8/20) Ux研究室
見学で模擬実験
1616
/51
銀河団からのX線
可視光
銀河団 = 銀河の集団
X線
銀河団 = 高温ガスの塊
~100万光年
©SDSS
©RASS
17
/51
X線スペクトル=成分グラフ
どんなエネルギーのX線がどれだけやってきたか
X線の到来数
乙女座銀河団
（すざく衛星)
銀河団を満たす高温ガスが
X線を発生
X線のエネルギー(keV)
18/51
銀河団ガスの温度測定
X線到来数
なめらかにつながる成分(連続成分)に着目。
X線のエネルギー(keV)
19/51
原子のおさらい
ヘリウム原子の模式図
• 原子核+電子
– 原子核=陽子+中性子
• 陽子の数で原子の種類が
決まる (周期表)
+ +
-
-
– 水素: 陽子1個
– ヘリウム:陽子2個
– 鉄:陽子26個etc…
• 原子が壊れる(電子が離
れる)
+
-
陽子
原子核
中性子
電子
– プラズマ状態
• 原子核が壊れる
– 核融合、核分裂
20/51
なめらか(連続)成分の起源=電子の熱運動
X線
-
-
電子
+
+
原子核
-
+
+
• 高温のため、銀河団ガスは、電子と原子核がばらばら
– プラズマ状態
• 電子が、原子核によって曲げられて連続成分放出
– 連続成分で、電子の運動=温度がわかる。
2121
/51
乙女座銀河団ガスの温度
X線到来数
連続成分の曲がり方から、約2千万度
銀河団ガスの温度は、
一般に2千万度~1億度
X線のエネルギー
22/51
銀河団高温ガスの質量
Abell85 X線画像+可視光画像
サイズ~1000万光年(~1023m)
連続成分の明るさ(光度)
銀河団ガスの総量
例えば、Abell85の場合、
銀河団ガス~1044kg
~太陽1014個分
~銀河千個分
Abell85中の銀河数: 数百個
©CXC
銀河団ガス>銀河
銀河団の実態: 銀河の塊というより、高温ガスの塊(火の玉)
23
23
/51
なぜ銀河団ガスは飛び散らない？
ペルセウス銀河団 X線+可視光画像 銀河団の重力で引き止めている。
7万光年=7×1020m
©CXC
銀河団ガスの
熱エネルギー
銀河団の
=
重力エネルギー
X線観測
でわかる
銀河団の総質量
ペルセウス銀河団の場合、
•銀河団ガス=1044kg
•銀河=1044kg
•銀河団総質量=1045kg
暗黒物質:見えないが、重力だけ作り出す物質が10倍も存在
24/51
銀河の分布(大規模構造)
銀河の分布はむらむら。濃いところが銀河団。
300万光年
我々の場所
25/51
大規模構造とX線
カラー図: 銀河の分布
大規模構造に沿ってガスが
落下し、銀河団が成長。
緑の部分:銀河が多い
6200万度
2000万度
1500万度
• すざく衛星で銀河団
Abell1689を観測
• 大規模構造につながる
部分の温度が高い
2600万度
1500万光年
川原田など (2010)
26/51
でこぼこ(輝線)成分
X線の到来数
乙女座銀河団
（すざく衛星)
X線のエネルギー(keV)
27/51
輝線(でこぼこ)成分=特性X線
電
子
線
や
Ｘ
線
どんな原子が存在するかがわかる。
28/51
銀河団ガス中の原子
X線の到来数
シリコン
乙女座銀河団
（すざく衛星)
アルゴン
鉄
鉄
酸素
硫黄
マグネシウム
カルシウム
X線のエネルギー(keV)
29/51
重元素の起源は？
• 主成分:水素+ヘリウム
酸素
マグネシウム
硫黄
鉄
シリコン
カルシウム
鉄
– 98%以上を占める
• それ以外の原子が数％
– 鉄、酸素、カルシウムetc.
– 重元素と呼ぶ。
• ビッグバン直後の宇宙
は、水素とヘリウムばか
り。
• 重元素の起源は？
30/51
答え:恒星の燃えカス(核融合)
太陽
核融合でエネルギー発生
燃料: 水素・ヘリウム
燃えカス: 新しい原子(酸素、炭素、鉄など)
31/51
星の最期: 超新星爆発
燃料(水素・ヘリウム)が無くなると、星は大爆発
(アニメーション)32/51
超新星1987A
小柴昌俊
2002年ノーベル物理学賞
1987年2月24日
1987年2月23日
大マゼラン星雲
大マゼラン星雲
33
/51
2002年ノーベル物理学賞
新しい天文学の開拓
©Nobel Web
Ricaldo Giacconi
X線天文学
小柴昌俊
Raymond Davis
ニュートリノ天文学
34
/51
SN1006 (1006年の超新星爆発)
藤原定家 明月記
すざく衛星X線画像
35/51
SN1006のX線スペクトル
確かに重元素が飛び散っている。
X線の到来数
ネオン
酸素
シリコン
すざく衛星
(山口ら 2005)
硫黄
マグネ
シウム
アルゴン
鉄
カルシウム
エネルギー(KeV)
36/51
人間も星の中にいた
ある星の中で、人間の体の元(炭素や鉄など)が合成。
超新星爆発で宇宙に飛び散る。
たまたま地球上で固まって我々の身体になった。
37/51
爆発の影響: 宇宙線
• 北側のスペクトルには、連続成分のみ。
– 高エネルギー電子の存在＝宇宙線 (宇宙を飛び交う
放射線)
北側
東側
38/51
身の回りへの影響: 宇宙線
超新星残骸から飛
び散った宇宙線
空気シャワー反応
で粒子数増加
39/51
ガイガーカウンターなどで計測
巨大ブラックホールとX線
銀河の中心には、巨大BHが存在する。
乙女座にあるM87銀河
X線写真(チャンドラ衛星)
可視光
ジェット
太陽の1億倍の重さの
ブラックホール
40/51
どうしてX線が出る？
X線
ブラックホールその
ものではなく、飲み
込まれる物質がX線
を出す。
ブラックホール
すごい速さで物質が落ち込む。やがて、物質同士の摩擦で
41
熱が発生し、数千万度以上になってX線を出す。
/51
我々の住む銀河:天の川銀河
想像図
中心部の星の運動(実際の観測)
中心部分に、太陽質量の400万倍のブラックホール。
42/51
天の川銀河中心のX線写真
チャンドラ衛星
180光年
巨大BHの場所
巨大BH自身は、X線では明るくない。
(周辺は明るい。超高温ガスのため。)
43/51
天の川銀河中心のX線スペクトル
普通の鉄(冷たい)が出す特性X線
外部から強烈なX線で
あぶられた証拠。
=蛍光X線
エネルギー(keV)
すざく衛星
(小山ら2007)
44/51
鉄の蛍光X線の分布
X線画像(すざく衛星)
300光年
いて座B2領域
天の川銀河中心核
(巨大ブラックホール)
45/51
いて座 B2 領域の過去10年
鉄の蛍光X線分布
(すざく衛星)
1994年
2000年
2004年
2005年
乾ら 2009
いて座 B2 領域の鉄の蛍光X線は、徐々に暗くなる。
46/51
照らしていたのは天の川銀河中心BH
300光年
いて座B2
領域
BHからのX線
鉄の蛍光X線
天の川銀河中心
ブラックホール
1. 300年前に、天の川銀河中心BHをX線が出発。
2. いて座B2に現在到着して、鉄をあぶる。
3. いて座B2が、鉄の蛍光X線を出す。
300年前、天の川銀河中心BHは明るかった。
そして徐々に暗くなっていった。
47/51
X線で明るい巨大BH:MCG6-30-15
想像図
X線スペクトル(すざく衛星)
鉄の
特性X線
エネルギー
• 鉄の特性X線の幅が広い
(Miniutti et al. 2006)
– 強重力 (ドップラー効果+重力赤方偏移)のため？
X線観測で、極限重力での相対性理論を実験検証
48/51
日常生活と相対性理論
GPS衛星
カーナビ
GPS衛星と電波で通信し、
自分の位置を算出。
地球の重力の電波に対する
影響を考慮=相対性理論。
カーナビは、弱い重力での相対性理論の実験検証といえる。
49/51
日本の将来計画:ASTRO-H衛星
• 超精密X線スペクトル
• 高エネルギーX線の画像
– Ux研は高エネルギーX線望遠鏡を作っています。
2013年度打ち上げ予定
50/51
まとめ
• X線で見る宇宙は、高エネルギー現象の世界。
– 高温度、高エネルギー粒子etc.
• 銀河団は、巨大な火の玉。
• 超新星爆発で、宇宙に原子がばらまかれる。
• 天の川銀河中心のブラックホールは、300年前は
明るかった。
• X線観測で、極限重力での相対性理論の検証の
可能性。
51/51