Microsoft PowerPoint - 公開講座 pptx

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1 宇宙のダークエネルギー とは何か? 郡 和範 ( こおりかずのり ) Kazunori Kohri 高エネルギー加速器研究機構 (KEK) 理論センター宇宙物理グループ 総合研究大学院大学素粒子原子核専攻

2 本日 説明すること 宇宙の大きさは? 宇宙の外は? 宇宙の始まりのインフレーション加速膨張 現在の宇宙の加速膨張とダークエネルギー 現在 わかっていないこと

3 宇宙の大きさは???

4 地球の大きさ m=10 7 m 一方 0.01 = 10-2 太陽までの距離 m=10 11 m

5 太陽系の外惑星 太陽系の半径は 100 億キロ 冥王星 100 億 km= m=10 13 m

6 一番近い 太陽以外の恒星は? 恒星とは自分で光る星 ( 惑星 ) ケンタウルス座 α 星 距離は 4.3 光年 1 光年 = 光が 1 年かけて走る距離 =10 16 m

7 我々の銀河 天の川銀河 の想像図 COBE 衛星による電波観測の再構成 太陽系 ３万光年 １万光年 m=1020m

8 お隣の銀河アンドロメダ大星雲 (M31) 200 万光年 100 万光年 =10 22 m

9 銀河団 1022m 超銀河団 1024m

10 遠い銀河の観測 (2dF) 2dF Redshift survery

11 100 億光年の長さで宇宙を見る 宇宙はどこも同じにみえる 宇宙原理 137 億光年先は光で見えない果てがある 宇宙の地平線 しかし その先に何もないわけではない! 100 億光年 = m =10 26 m

12 宇宙の外は??? 宇宙の始まりは???

13 地球は特別じゃない? 古代ギリシャ プトレマイオスの天動説 コペルニクスの地動説 (1543) Nicolaus Copernicus ガリレイ それでも地球は回っている ( ) チィコ ブラーエ ケプラーの三大法則 ケプラー

14 ニュートンの宇宙モデル (1686) 空間とは入れ物 ( 絶対空間 ) Sir Isaac Newton 時間とは 空間とは独立に過去から未来に流れるもの 物体は空間でニュートン力学に従って時間発展し 運動する つまり 時間と空間は別物

15 アインシュタインの宇宙論 (1915) 時間と空間は混ざり合う ( 特殊相対性理論 ) エネルギーが時間と空間を決める ( 一般相対性理論 量子論と矛盾 ) 宇宙はそのままでは重力で潰れるので 宇宙項 Λ を入れて 安定にしなくてはならない ( 後に取り下げることになるが 現代では復活 )

16 アインシュタイン方程式 強い古典重力場を記述する方程式 ( 雰囲気のみ 模様と思っていただいてもよいです ) : 宇宙定数 R g : リッチテンソル (, 0,1,2,3) : 時空の計量テンソル R g R T : エネルギー運動量テンソル

17 フリードマンの宇宙 : 膨張宇宙 (1922) アインシュタイン方程式の解 ( 宇宙定数なし ). もし 宇宙膨張の初期速度が十分速ければ 永遠に膨張しつづける フリードマン解 Alexandre Fiedmann ( )

18 フリードマン方程式 一様 等方宇宙におけるアインシュタイン方程式の一つ これを解くと宇宙の膨張の様子が理論的に分かる 放射や物質 ( ダークマター ) で満たされている宇宙の膨張は 放射と物質の重力により引っ張られて 宇宙の広がり方がだんだん遅くなる

19 光のドップラー効果 アインシュタインの特殊相対性理論 (1905) 我々に向かってくる遠い銀河我々から遠ざかる遠い銀河 低い振動数 ( 長い波長 ) 赤方偏移 通常の銀河の色高い周波数 ( 短い波長 ) 青方偏移

20 赤方偏移を受けた銀河達 ほとんどが赤方偏移 遠ざかるスピードは高速の 99% 以上

21 赤方偏移の科学的証拠 スペクトルの吸収線 陽子 e- 水素原子 量子化されたとびとびのエネルギー状態 ( 量子力学 ) 1) 太陽の光のスペクトラム 水素イオン H+ 短波長 2) 遠い銀河から来た光のスペクトラム 赤方偏移している! 長波長

22 ハッブルの法則 (1929) 遠ざかる銀河の速度 v 距離 d v H d c z

23 膨張宇宙の予言と検証 宇宙は大昔 小さく 高温であった ( 質量のない素粒子の火の玉宇宙 ビッグバン宇宙 ) 火の玉宇宙の名残りの3 Kの等方的な電波を発見!(1967 年ペンジャスとウィルソン ) z 1100の頃の宇宙 WMAP 衛星による3 度 K マイクロ波宇宙背景放射の10-5 倍程度の揺らぎの観測 (2006)

24 我々の場所は もはや宇宙の 中心ではない 宇宙原理

25 宇宙の未来の様子について 90 年代まで決着 がついていなかった 膨張宇宙 収縮宇宙

26 2011 年ノーベル物理学賞 遠方の超新星爆発の観測による宇宙の加速膨張の発見 に対して贈られました 左より パールムッター ( 米カリフォルニア大バークレー校 ) シュミット ( オーストラリア国立大 ) リース ( 米ジョン ホプキンス大 )

27 高赤方偏移の Ia 型超新星爆発 の観測 ハッブル宇宙望遠鏡が捕えた超新星 1997ffの画像 ( 写真白枠拡大図内の赤い点 ) 画像提供:NASA/ESA

28 遠方 Ia 型超新星爆発の暗くなり方 暗さ 宇宙項定数による加速膨張宇宙 暗黒物質による減速膨張宇宙 赤方偏移 z A.G.Riess et al, Astrophys.J. 560 (2001) 数百 Mpc-1Gpc の距離数 10 億年前

29 宇宙定数が支配的な宇宙の フリードマン方程式 宇宙定数で満ち満ちている宇宙におけるアインシュタイン方程式 宇宙の大きさの変化時間の変化 定数 宇宙の大きさ 宇宙の増え方の割合が 宇宙の大きさに比例する 時間の 2階微分が正の数 a>0 加速膨張

30 宇宙はダークエネルギーの存在により 指数関数的に加速膨張しています

31 減速膨張 加速膨張 現在の膨張率を観測から固定すると宇宙年齢が長い

32 90 年代前半でも宇宙定数の示唆 球状星団の中の星の年齢は どう低く見積もっても 120 億歳 宇宙定数無しの宇宙の年齢は どう長く見積もっても 100 億歳以下 実は若い理論家の間では宇宙定数の導入に抵抗は無かった

33 ダークエネルギーとは 宇宙が膨張してもエネルギー密度があまりかわらないような 宇宙定数を包含する このような概念のエネルギーをダークエネルギーと呼びます ( シカゴ大マイケル ターナー教授 )

34 現在の宇宙の中身 ( 素粒子の言葉で ) 輻射 ( 放射 ) 光とニュートリノ (1cc あたり 100 個 ) 物質とダークマター ( 暗黒物質 ) 超対称性粒子 ( 地球近傍で 1 リットルあたり 1 個 ) ダークエネルギー ( 宇宙を加速膨張させる源 満ち満ちている ) アインシュタインの宇宙定数 ( 人為的に手で導入 ), 未知のスカラー粒子

35 宇宙の温度が下がる方向 K 10 K 2.7 K (-270 C) エネルギーの密度が上がる方向 理論予想は 倍 昔はすごく少なかった超対称性理論の予言より 倍小さい 現在 なぜかすべて同じような量になっている ダークエネルギー 昔 秒 千年 宇宙年齢が上が方向 137 億年 未来

36 指数関数的 宇宙の大きさ 加速膨張宇宙 (2 nd Inflation?) 減速膨張宇宙 観測値は現在の傾き ( 膨張率 ) 収縮宇宙 宇宙年齢 ( 単位は 10 億年 )

37 宇宙の無からの創生 A. Vilenkin (1982) ホーキング ペンローズの特異点定理 (1965) 一般相対性理論は特異点を必ず持つ Steven Hawking ホーキングの無境界仮説 (1983) 宇宙はツルっとした境界から始まった

38 インフレーション宇宙論佐藤勝彦 (1981) グース (1981) 宇宙初期に指数関数的膨張により 光速より速いスピードで 非常に大きくまっ平らな宇宙なった 初期宇宙にも加速膨脹期が必要

39 マルチバース 量子ゆらぎにより インフレーションを起こす条件が整った場所が 各々インフレーションし 宇宙を創る たくさん宇宙が生まれる

40 宇宙の始まりの前には時間もない 宇宙は 時間と空間を作りながら広がっている 宇宙誕生の前には 定義により時間はないと考えられている ( 例外のモデルもある ) 虚数時間こそが 流れていたかもしれない ( スティーブン ホーキング )

41 宇宙の歴史 宇宙年齢 :137 億年 最初の星の誕生は 生まれて 4 億年後 インフレーションが始まったのは生まれて 秒後 (0.01=10-2 ) 素粒子のスープから元素が誕生するのは生まれて 3 分後 光で見えるのは生まれて 38 万年後から

42 2 度の加速膨張期を経験 1 度目は 宇宙初期のインフレーションによる加速膨張期 2 度目は 現在のダークエネルギーによる加速膨張期 ( 第 2 のインフレーション期と呼んでもよい )

43 分かっていない 事は???

44 本当の所は量子重力理論が完成しないと解からないかもしれない スーパーストリング理論 ( 超対称性理論の下での弦理論 ) がその候補と思われているが 未完成

45 高次元宇宙 スーパーストリング理論 (M 理論 ) では時空は 11 次元 しかし 我々の宇宙は四次元 ウィッテン 近くで見ると二次元平面? だと思っていても 遠くから見ると一次元かもしれません 四次元以上の高次元空間 ( 余剰次元と呼ばれる ) が このように小さなスケールでコンパクト化されて存在していると解釈する

46 膜宇宙論 ( ブレインワールド ) Randall and Sundram (1999) 我々の宇宙は高次元時空に 浮かぶ四次元の膜である リサ ランダル ラマン サンドラム サイクリック宇宙 (Ekpyrotic Universe) スタインハートとチュロック (2002)

47 サイクリック宇宙 (Ekpyrotic Universe) Steinhardt and Turok (2002)

48 残された問題 量子重力理論は完成するか? スーパーストリング理論? ダークマターとは何か? 超対称性理論 (SUSY) 粒子 アキシオン 原始ブラックホール ダークエネルギーとは何か? 宇宙定数? ゆっくり転がるスカラー場? バリオン物資 ( 原子 ) はどうやって無から作るか? バリオン数生成理論モデル多数 しかし 検証なし 現在の宇宙は なぜ全ての成分が同じ程度のエネルギー密度なのか? 偶然? 科学的に必然に起こる? 人間原理?

49 人間原理 (Anthropic Principle ) 我思う 故に我あり (cogito ergo sum) デカルト 問 ) 人間原理 なぜ宇宙の法則 ( 物理法則 ) は 偶然人間に都合よく出来ているのか? デカルト ( ) 宇宙の法則がこうなっているからこそ この問いを発する人間が ( 必然として ) 生まれて来たという原理 逆に言うと 変な物理法則の宇宙には このような問いを発する人間は生まれないので そもそも このような問いは発せられない

50 例 1) なぜ地球にたくさんの 酸素があるのか? 人間原理により 酸素がない星には人間が生まれないから そのような星のことは誰も語らないからだ と説明することもできる それで考えを終わっていては惑星に酸素の気体が存在する理由を科学的に解明する動機は永遠に失われる つまり科学的な疑問に最初から人間原理による説明を持ち込むべきではない

51 ディスカッション 我々はダークエネルギー ( 宇宙定数 ) が小さい宇宙に住んでいる 理論予想より 倍も小さい もし その値が観測より 10 3 倍程度でも大きければ 宇宙はもっと速く膨張してしまい 地球や太陽は生まれない 天動説を捨て 宇宙原理を信じた現代の人類が また 我々の宇宙は特別な存在だと受け入れなければならなくなってきたのは皮肉だ それを神が作りたもうたと言うのは易しい また 人間原理による解決をはかると 人間の存在がこの宇宙の性質を決めているという驚くべき解釈になる しかし そうした説明方法は 一番最後にとっておくべきだろう ( 将来的には そう認めないといけないかもしれない 宇宙誕生の根本的な大問題に直面しているかもしれない )