Transcript 現代宇宙物理学10の謎 2003/04/08 牧島一夫

現代宇宙物理学10の謎
2004/04/06
牧島一夫
http://www-utheal.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~maxima/index-j.html
1. 太陽
2. 太陽系外惑星
3. 中性子星の超強磁場
4. ブラックホール形成の宇宙史
5. ガンマ線バースト：宇宙の果の大爆発
6. 超高エネルギー宇宙線とジェット天体
7. 暗黒物質は超対称性粒子か？
8. 宇宙のバリオンはどこに？
9. Post-WMAP時代の宇宙論
10.地球外生命体はいるか？
2004/4/6
現代物理学入門
なぜ温度6千Kの太陽の上空に、
その1000倍も高温なコロナが存
在しなければいけないのか？
→ 牧島のテーマの１つ
「ようこう」が軟Ｘ線でとらえ
た、コロナの圧巻
TRACE衛星が極端紫外線
で見たがコロナの磁場
11年周期に
伴うＸ線コロ
ナの消長
JAXA「ようこう」衛星
http:// www. isas.jaxa.jp
http:// www.solar.isas.jaxa.jp
2004/4/6
TRACE衛星
http:// vestige.lmsal.com/TRACE/
現代物理学入門
太陽ニュートリノ問題：太陽から観測される ニュート
リノのフラックスが計算値の 1/3〜1/4
→ ニュートリノ振動、素粒子の標準モデルの破れ
→ 宇宙線研 Skグループ
（鈴木・梶田・中畑・
伊
藤・金行先生）
スーパーカミオカンデ太陽ニュートリノ
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/lowe/soltimevar.html
2004/4/6
現代物理学入門
http://exoplanets.org
• 最初の発見 (1995) 以来、爆発的な勢いで探査と発
見が進行中。
• 100光年 以内の〜1000個の恒星が探査され、すで
に110個の惑星が発見されている (10%) 。
• 太陽系とは大きく異なった姿 (ただし観測のバイア
スはきわめて大)。
• 日経サイエンス 2000年12月号。
• 次の課題は直接イメージング。もっとも高度なセンサ
技術や探査機技術を要求。
2004/4/6
現代物理学入門
どうやって惑星を見つけたか？
→ 中心星スペクトルのドップラー効果
中心星
公転周期：4.6日, 0.66年, 3.47年
3.47年
惑星
K=(m /M ) (2πGM /P ) 1/3 sini
K=中心星のDoppler速度
m=惑星の質量
M=中心星の質量
P=公転周期
i=軌道傾斜角
2004/4/6
0.66年
現代物理学入門
発見された110個の
太陽系外惑星
2a
a(1-e)
a(1+e)
木星質量を単位
とした惑星質量
の頻度分布
水
火
地
金
2004/4/6
現代物理学入門
木
見えて来た太陽系外惑星の素顔
木星なみの巨大惑星が、水星より小さい軌道を
回り、大きな軌道離心率をもつ。
太陽系は、例外的な存在か？
惑星形成の理論に大きな変更が必要。
次は何としても直接イメージングへの挑戦。ただ
し惑星は中心星より可視光で9桁も暗く、遠赤外
線でも６桁暗い
→系外惑星の光観測は須藤先生、赤外はJAXAの
中川先生、星形成の電波観測は山本先生
JAXA ASTRO-F 衛星 http://www.ir.isas.ac.jp/ASTRO-F/Outreach/AboutJ/
2004/4/6
現代物理学入門
表面磁場強度 (T)
10
10
10 9
マグネター?
Crab型パルサー
連星Ｘ線パルサー
10 8
10 7
10 6
10 5
電波
パルサー
ミリ秒 パ
ルサー
0.001 0.01
2004/4/6
自転周期 (秒)
0.1
1
現代物理学入門
10
100 1000
108 T の超強磁場をどうやって測る？
log[ B /(1+ z )] (Gauss)
13
12
10
個数
磁場B 内の電子のLarmour
(サイクロトロン) 周波数
ν= eB /２πm
Landau準位の間隔
hν= 11.6 (B /108T) keV
あるＸ線パルサーのＸ
線スペクトル
BeppoSAX
「ぎんが」
8
HXD
「あすか」
6
4
4×108Tの磁
場内での電子
サイクロトロン
共鳴吸収
観測されたＸ線パル
サーの磁場の頻度分
布； 牧島 et al. (1999）
2
0
2
5
10
20
50
サイクロトロン共鳴エネルギー (keV)
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現代物理学入門
100
200
Astro-E2 衛星 (2005年２
中性子星の超強磁場の起源は？
月に打ち上げ予定)
1980年代まで：「超伝導によるリング状の永久電流が
磁場を保持、それが減衰すると弱磁場NSに。」
サイクロトロン測定の結果：「強磁場NSと弱磁場NSと
は、連続的につながらない。」
☆新しい可能性：核力のもつ斥力により、中性子の磁気
牧島研の現在
モーメントが整列する可能性（牧島の仮説)
の中心課題、
☆すべての核スピンが整列すると B〜 4×1016 G
HXD
14~15
・ほぼ全体が強磁性 → マグネター (10
G) ?
・ごく一部が強磁性 → 強磁場NS (1012~13 G) ?
・全体がほぼ常磁性 → 弱磁場NS (108~9 G) ?
2004/4/6
現代物理学入門
+
-
題名に “Black Hole” を含む論文数(年間)
近年の新しい
進展（後述）
500
400
そもそもの始
まりは？
300
200
100
0
1970
2004/4/6
1975
1980
1985
1990
現代物理学入門
1995
2000
小田稔(1923-2001): 初めて「はくちょう座X-１はブラック
ホールと恒星の連星」と提唱 (1971)
R.Giacconi
2002年度
ノーベル物
理学賞受賞、
宇宙Ｘ線研
究の開祖
2004/4/6
現代物理学入門
ブラックホール候補天体の爆発的な増加
〜1995以前
108
質
量 6
10
（
太
陽
比104
）
〜1995以後
銀河中心の
銀河中心の巨大BH
巨大BH
(数百〜数千個)
X線
事象の地平線
不可視領域
潰れた星
中質量BH
（数十個）
102
恒星質量BH
恒星質量BH(数十個)
ガンマ線
バースト？
初
源
BH
100
可視光
？
天の川銀河 近傍銀河
2004/4/6
遠方宇宙 初期宇宙
現代物理学入門
降着物質
重
力
ポ
テ
ガン
ン
マ線
シ
ャ
ル
重
力
ポ
テ
ン
シ
ャ
ル
BHの統一像を
構築したい→
牧島, JAXA 井
上先生
中質量ブラックホール候補の発見 (鶴、松本
et al. 1999; 牧島 et al. 2000)
X線(左)と可視光(右)で見た NGC4038銀河。こうしたＸ線の点源
の多くが、激しく物質を吸い込む中間質量ブラックホールらしい
が、その形成機構は謎に包まれている。
JAXAホームページ、牧島の講演「ブラックホール天文学の最前線」
http://www.jaxa.jp/news_topics/column/no7/index_j.html
2004/4/6
現代物理学入門
1967年、アメリカの核実験探査衛星
が、宇宙から来る爆発的なガンマ
線を発見、ガンマ線バースト と名付
けられた。1日に1回程度の頻度が
あるが、いつどこで発生するか、予
測できない。
全天で極めて一様な分布
0.1~100 MeV
10秒
遠方ほど
少ない！
NASA Marshall宇宙飛行センター、ガンマ線バーストHP
http://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines/ast06may98_1.htm
2004/4/6
現代物理学入門
HETE-2 による即時位置決めとInternet通報
(理研・アメリカ ・フランスの運用する小型衛星)
理研・宇宙放射線研究室 http://cosmic.riken.go.jp
→牧島が兼務
広視野でガンマ線バーストを監視し
発生すると即時に位置を決め
地上に通報し全世界に警報を流す
2002年10月４日の バー
スト:発生から50秒後に、
直径20分の 誤差でＸ線
の位置決定
赤道に沿う11の受信局で常に受信
理研ニュース http://www.riken.go.jp/r-world/
info/release/news/2003/apr/index.html
2004/4/6
現代物理学入門
ガンマ線バーストの残光の検出
数十億光年の
ガンマ線バーストは宇宙論的な遠方で、 彼方の爆発が、
大質量星が超新星爆発し、星の中心部が 何と首都圏から
アマチュア望遠
ブラックホールになる瞬間に発生!?
鏡でキャ ッチで
きる！
29日21:57
30日0:00
30日3:32
 2003年3月29日にHETE-2が検出した大ガンマ線バーストの残
光 (東工大の屋上で佐藤理江さんが撮影)。バーストで作られた
超相対論的粒子の出すシンクロトロン放射。
東工大・河合研究室 http://www.hp.phys.titech.ac.jp/nkawai/030329/
 シンクロトロン放射が暗くなるにつれ、１週間後には、残光の
スペクトルは、極超新星に特有なものに変貌。
2004/4/6
現代物理学入門
宇宙線研 AGASA http://www-akeno.icrr.u-tokyo.ac.jp/AGASA/
最高エネルギー宇宙線
(宇宙線スペクトル×E3)
宇宙線研 明野AGASA
大気シャワー観測
2004/4/6
現代物理学入門
エネルギー 1020 eV
以上の陽子は、宇
宙μ波光子と衝突
しπ0を生成するた
め、長くは飛べない
（GZK cutoff) はず
なのに…!
p+γ→p＋γ＋π0
[Obs系] [p静止系]
p 1020eV 109 eV
γ 10-3eV 108 eV
最高エネルギー宇宙線の加速現場は？
X線(左)と可視光(右)で見た活動銀河 Centaurus A。中心の巨
大ブラックホールから、銀河のはるか外まで、ジェット（細く絞ら
れた磁場と相対論的粒子の流れ）が噴出する。
しかし；
ジェット生成機構は？
ジェットで粒子はどこまで
加速されるか？ → JAXA
高橋先生、
宇宙線研 森・榎本先生
GZK cutoff 距離より近傍
に十分な数のジェット天体
あり？
最高エネルギー宇宙線の
起源は謎→宇宙線研
2004/4/6
福島・佐々木・瀧田先生
現代物理学入門
ハッブル宇宙望遠鏡に
よる銀河団 Abell 2218
の光学画像。 この銀河
団の巨大な質量のため
重力レンズ現象が起き、
背後の天体の像が歪
む。
→重力なら坪野先生
ハッブル宇宙望遠鏡 http://oposite.stsci.edu/pubinfo/pictures.html
2004/4/6
現代物理学入門
宇宙の暗黒物質
☆ 非バリオン的な暗黒物質が存在する証拠
(1) 銀河団の光学、Ｘ線、重力レンズの観測が一致して、 「重力質
量のうち、電磁波を出すものは10〜20%」
(2) 宇宙論的考察：
・さまざまな観測 → 宇宙に実在する全重力質量密度は、 〜
0.27ρ0 (Ωm〜0.27; ρ0=3H02/8πG は臨界密度) 。
・軽元素の組成の観測値＋ビッグバン元素合成理論
→宇
宙に実在するバリオンの質量密度は、〜0.044ρ0 (Ωb=0.044
±0.004)。
・よってバリオンは 質量の〜16% (Ωb / Ωm =0.16)。
暗黒物質の最も有力な候補は、素粒子の超対称性理論で予測さ
れるニュートラリーノ（ゲージボゾンとペアを組む、相互作用の弱い
仮想的なフェルミオン）。
→直接探査は蓑輪先生
2004/4/6
現代物理学入門
可視光(左) とＸ線(右)で見た、かみのけ座銀河団
銀河(=星の集団) は、全バ
リオンの3割以下である。
2004/4/6
観測されたバリオンの大部分は、
Ｘ線を出す高温 (107-8K) のプラズ
マとして銀河団に附随。
現代物理学入門
宇宙で最も優勢なバリオン成分を研究するには、Ｘ
線(制動放射)を用いるのがベスト
3×107K のプラズマのスペクトル
Si(He,H)
S(He,H)
Ar(He,H)
Ca(He)
Fe(He)
「あすか」1993〜2001
 プラズマはどうやって加熱されてきたか？重力
1 E(keV) 2
3
4 5 →
6 牧島
と磁気プラズマ乱流効果？
 観測されるバリオンは、理論予測の〜1/2。残
りはどこに？ 広大な宇宙空間に希薄に分
布？→JAXA 満田先生、山崎典子先生
Astro-E2, 2005年〜
宇宙研 「あすか」、Astro-E2衛星 http://www.astro.isas.ac.jp
2004/4/6
現代物理学入門
Wilkinson MAP衛星
http://map.gsfc.nasa.gov/
Wilkinson MAP (Microwave Anisotropy
Probe) 衛星による宇宙マイクロ波背景放
射のゆらぎ(10万分の１) の精密測定に
より、宇宙論パラメ ータが驚異的な精
度で決定！
晴上りの赤方偏移 z =1089 ±1
Ωtot=1.02±0.02 (宇宙は平坦！)
Ωm=0.27 ±0.03, Λ=0.73 ±0.04
バリオン密度 Ωb =0.044 ±0.004
2.74K 宇宙マイクロ波背
ハッブル定数
71 ±4 km/s/Mpc
景放射の揺ぎの地図
宇宙の年令
137 ± 2 億年
（平均輝度の〜10-5)
2004/4/6
現代物理学入門
WMAP以後の宇宙論(1,2)
宇宙論パラメータを観測から決定する作業は、現時点でほぼ完了
した。次は；
暗黒エネルギーの正体解明→佐藤先生ほか
物質と反物質の非対称性の起源→ 相原先生、早野先生
質量の源としてのHiggs粒子の探査→駒宮先生、素粒子セン
ターの教官の皆さん
素粒子のGUT→ 素粒子理論の諸先生
赤方偏位 z = (観測される波長)/(静止系波長)
(宇宙のスケール) = (現在のスケール)/(1+z)
宇宙の年令： T = 137±2 億年
z=1000 (t 〜2×10-5T)： e-とp+が結合し、中性水素に。 構造形
成が深く静かに進行、初源天体が出現→ 須藤先生
2004/4/6
現代物理学入門
WMAP以後の宇宙論(3)
 z 〜20 (t 〜0.01T)：最初の星や銀河の形成。宇宙は再び電離し
始める。初源天体の可視光は、波長が〜10倍に伸びるので、赤
外線での探査が不可欠。
ASTRO-F 衛星。→ JAXA 中川先生
 z 〜7 (t 〜0.04T) ：観測された最遠の天体 (クエーサー)。
 z 〜6 (t 〜0.05T)：再電離完了、宇宙空間は再びプラズマ。
 z〜10以降における天体形成過程に内在する新しい動力学（構
造形成、エネルギー非等分配、..）→ 牧島
宇宙研 ASTRO-F 衛星
http://www.ir.isas.ac.jp/ASTRO-F/Outreach/AboutJ/
2004/4/6
現代物理学入門
火星に水があった痕跡（2004年３月、NASAの発表）
木星の第２衛星、エウロパには、大量の氷と、木星の潮汐力に
よる熱がある。生命がある可能性が。
太陽系外（地球型惑星）はどうか？
地球外生命があったとして…
動物型か、植物型か、まったく違うタイプか？
やはり炭素有機物を主体としているか？
(if yes) DNAを遺伝情報の伝達に使っているか？
(if yes) DNAコーディングの塩基は４種類か？
(if yes) その４種は、G, C, T, A か？
2004/4/6
現代物理学入門
このpower point fileのURL
牧島のHP
http://www-utheal.phys.s.u-tokyo.ac.jp/
~maxima/index-j.html
「プレゼンテーションppt集」
2004/4/6
現代物理学入門