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こうしろうたにしき
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1 加速する宇宙論東京大学大学院理学系研究科物理学専攻須藤靖 1970 年代 1980 年代光を出さない元素元素以外の 1990 年代ダークマターダークエネルギー 2010 年代宇宙科学講演会ー今年のノーベル物理学賞の意義を知るー 2011 年 12 月 7 日 18:10-18:50 駒場 1 キャンパス 13 号館 1323 室星銀河 ( 光を出す元素 )

2 宇宙論研究の歴史 n 1916 年 ~ 一般相対論的宇宙モデル n 1929 年宇宙膨張の発見 ( ハッブル ) n 1946 年 ~ ビッグバンモデルの提唱 ( ガモフ ) n 1965 年 CMBの発見 ( ペンジアスウィルソン ) n 1980 年 ~ 宇宙の大構造の発見素粒子論的宇宙論の誕生宇宙論的数値シミュレーション n 1992 年 CMB 温度ゆらぎの検出 (COBE) n 1990 年代後半 ~ 宇宙論パラメータの精密決定平坦な宇宙ダークマター宇宙定数 ( ダークエネルギー )

3 1978 Nobel Prize in Physics n Arno Penzias and Robert Wilson n For the discovery of cosmic microwave background radiation The Astrophysical Journal 142(1965)419

4 2006 Nobel Prize in Physics n John Mather and George Smoot

5 2011 Nobel prize in Physics n Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt and Adam G. Riess n for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae

6 宇宙の膨張

7 エドウィンハッブル ( ) n アンドロメダ星雲中にセファイド型変光星を見つけてその距離を決定し遠方の星雲は我々の銀河系内の星の集団ではなく独立した銀河であることを示した (1923 年 ) n さらに遠方の銀河はその距離に比例した速度で遠ざかっていることを発見し宇宙が膨張していることを観測的に明らかにした (1929 年 ) ハッブルが発見したアンドロメダ銀河のセファイド変光星 1931 年にウィルソン山天文台を訪問したアインシュタイン

8 ドップラー効果を用いた後退速度の決定実験室系でのスペクトル λ o λ 観測されたスペクトル赤方偏移 z λ λ λ 0 0 = v c 波長後退速度

9 ハッブルの法則 (1929) n 遠方銀河は我々に対して遠ざかっている n その後退速度は銀河までの距離に比例しているハッブルの法則 v=h 0 d ハッブルが得た遠方銀河の距離速度関係

10 ハッブルの法則の解釈 (1) n 我々の銀河系は宇宙の中心に位置する (?) すべての銀河が我々の銀河系を中心にしてかつその後退速度が距離に比例するような特殊な関係を満たしながら運動している

11 ハッブルの法則の解釈 (2) n ハッブルの法則は我々の銀河系に対してだけではなく宇宙のどこでも成り立つこの法則は単に個々の銀河の運動ではなく宇宙があらゆる場所で全体として一様等方に膨張していることを示している

12 何に対して膨張している? n すべての場所を中心に膨張していると言ってもよいが中心があるわけではないし何に対してでもないあらゆる場所が等しく相似的に膨張している n 風船の表面の例がかえって混乱させてるらしいむしろ無限に伸びた一本のゴムひもを例として考えるほうが誤解が少ないかもしれない端がないことも重要

13 ハッブル定数と宇宙の距離尺度 H 0 =72 ± 3 ( 統計誤差 )± 7 ( 系統誤差 ) km/s/mpc 72 km/s/mpc ハッブル宇宙望遠鏡によるセファイド変光星の観測から較正された銀河距離指標を用いてハッブル定数の値は約 1 割の精度で決定されている W.L.Freedman: Phys.Rep (2000)13

14 ハッブルの法則と宇宙年齢 n ハッブル定数の逆数は宇宙年齢の目安 t H h = = H d v 0 = = 100h km/s/mpc 1/(100h d H d 0 = 0.71の場合 1 1 H t 億年 ) 0 H 100h 1 140億年億年 d v 後退速度が一定ならば d/v だけ過去に遡れば宇宙全体が一点に集まる宇宙には始まりがある! 進化する!

15 ハッブルの法則かルメートルの法則か? n Sidney van den Bergh: The curious case of Lemaître s equation 24, arxiv: n 宇宙膨張を発見したのは1929 年のハッブルの論文 (PNAS, 15, 1929, 168) だというのが通説 n しかしルメートルの1927 年のフランス語論文ですでにハッブル定数が重みのつけ方によって625 あるいは575km/s/Mpcと計算されていた ( この事実は一部ではよく知られていたらしい ) n この論文はその後 MNRASに英訳されて 1931 年に発表されているがそこではハッブル定数の計算に関する式の一部と本文および脚注がすっぽりと抜け落ちている

16 英訳版では削除されている箇所 (1)

17 英訳版では削除されている箇所 (2)

18 英訳版では削除されている箇所 (3)

19 後退速度距離関係の比較ルメートル (1927) 575km/s/Mpc ハッブル (1929) 530km/s/Mpc Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques, l Abbé G. Lemaître Annales de la Societe Scientifique de Bruxelles, A47, pp : A homogeneous universe of constant mass and increasing radius accounting for the radial velocity of extragalactic nebluae, MNRAS 91(1931)483

20 Stigler's law of eponymy n No scientific discovery is named after its original discoverer (1980 by University of Chicago statistics professor Stephen Stigler) n Aharonov-Bohm effect, Alzheimer's disease, Bode's Law Cardano's formula, Curie point, Dyson spheres Euler's number, Euler's formula, Fermi's golden rule, Gauss's Theorem, Gaussian distribution, Halley's comet, Hubble's law, Kuiper belt, Snell's law of refraction, Stigler's Law, attributed by Stigler himself to Robert K. Merton, Wheatstone bridge, Yagi antenna

21 宇宙の果てを見通す 23

22 銀河宇宙原始銀河第一世代天体宇宙波背景輻射宇宙誕生遠くの宇宙は過去の宇宙 137 億年 10 億年 4 億年 ~7 億年

23 宇宙を見る目の進歩 (1) 地上 5m 望遠鏡 + 写真乾板 100 万人間の眼 25

24 宇宙を見る目の進歩 (2) 地上 4m 望遠鏡 +CCD: 100 写真乾板 26

25 宇宙を見る目の進歩 (3) ハッブル宇宙望遠鏡 27

26 宇宙を見る目の進歩 (4) ハッブル宇宙望遠鏡 CCD 1000 地上望遠鏡 28

27 銀河宇宙から宇宙マイクロ波背景輻射へ 29

28 宇宙の組成

29 宇宙の主成分の候補 (1): バリオン n 地上の物質のほとんどすべては元素 ( 原子 ) から構成されている n 光やニュートリノもあるがそれらは全質量への寄与としては無視できる n 原子は原子核 (= 陽子 + 中性子 ) と電子からできているが電子の質量は陽子の 2000 分の 1 なのでその寄与も無視してよい n 陽子と中性子はバリオンと呼ばれる種族である ( 本来はクォークから構成されている複合粒子の総称 ) n このため通常の物質のことを指してバリオンというやや不正確な表現が慣用となっている n 宇宙も地上と同じく普通の粒子 (= バリオン ) だけからなると考えるのがもっとも自然

30 バリオン存在量の推定 n 普通の物質はほとんどが見える ( 光を出す ) n 単位体積あたりの光の量を測定 n 星 ( 銀河 ) が単位質量あたりに出す光の量を推定 n 観測された光量を質量に換算 n 単位体積あたりの質量 = 質量密度が推定できる n 星以外のバリオン ( 高温ガスなど ) についても同様 n 宇宙の全質量の約 5 パーセント弱しか説明できない

31 宇宙の主成分の候補 (2): ダークマター n 宇宙は本当に地上の物質と同じく元素 ( バリオン ) だけでできていると考えてよいものか No n ダークマターとは重力を及ぼすが直接光ることはない未知の物質で 1930 年代に存在が予想された今や天文学観測によってその存在はほぼ確実 n ダークマターを仮定しない場合数多くの観測データをそれぞれ異なる複雑なモデルで説明しなくてならない n 科学は現象を説明できるモデルが複数存在する場合仮定がもっとも少ないものが優れていると考える ( 思考の経済性 )

32 ダークマター存在量の推定 n 銀河や銀河団にはバリオンの 10 倍程度の見えない質量が存在 (= ダークマター ) n 銀河や銀河団の運動を測定しそのエネルギーと釣り合うだけの重力エネルギーを説明できるダークマター量を推定 n 重力レンズ現象からダークマターの量を推定 n 宇宙の全質量の約 23 パーセントを占める

33 ダークマター存在の観測的証拠 n 銀河の平坦な回転曲線 n 遠方クェーサーの重力レンズ多重像 n 弾丸銀河団

34 宇宙の主成分の候補 (3): ダークエネルギー n ダークマターの存在は光っているものだけが世界のすべてではないことを教えてくれた n 空間分布の違いを利用した相対的観測 n では宇宙のあらゆる空間を一様に満たしているような成分は存在しないのか n 仮にあるとしても相対的でない測定は可能か n 真空には本当に何もないのか n ダークエネルギーは空間的には一様分布していてもその密度は時々刻々変化する n 宇宙膨張は宇宙の密度の絶対的な値 ( 互いの差ではなく ) によって決まる n 宇宙膨張の時間依存性を測定する n 時間軸に沿った相対的な測定は可能

35 宇宙の加速膨張と物理法則 n 物理法則 ( 運動方程式 ) は時間の2 階微分 ( つまり加速度 ) で書き表される n 宇宙の加速度を測る 2011 年度のノーベル物理学賞のテーマ ( 土居先生の講演 ) n 宇宙の大きさ (a) を現在 (t 0 ) 付近でテイラー展開 a(t) = a(t 0 )+ da dt t0 (t! t 0 )+ 1 2 d 2 a dt 2 t 0 (t! t 0 ) 2 +! n n n 第一項 : 宇宙の大きさ定数倍の自由度があり意味を持たない第二項 : 宇宙の膨張率 ( ハッブル定数 ) 宇宙の年齢第三項 : 宇宙膨張の加速度力を及ぼす物質の正体を物理法則 ( 一般相対論から導かれる宇宙膨張の方程式 ) を通じて解明できる 37

36 本来は宇宙は加速できないはず! n ニュートンの重力の逆二乗則 d 2 a GM(< a) =! =! G " 4! 2 $ dt a 2 a 2 # n 一般相対論による宇宙膨張の式 n 圧力も重力源として寄与する 3 "a3 d 2 a dt =! 4!G (" + 3p)a 2 3 % ' =! 4!G & 3 "a < 0 n 負の加速度を説明するには負の質量あるいは負の圧力を仮定するしかない n アインシュタインの宇宙定数 : p=-ρ n より一般化したのがダークエネルギー : p=wρ( 定数 w<-1/3) n あるいはそもそも宇宙論スケールでは一般相対論が正しくないのかも ( 修正重力理論 )?

37 宇宙のダークエネルギー n ダークマターとは異なり空間的に局在しているようなものではない n 例えば本来何もないはずの真空自体が持っているエネルギーのように宇宙全体を一様にみたしている n その重力は実効的に万有斥力 n 1917 年にアインシュタインが ( 全く異なる理由から ) 導入した宇宙定数に対応 n ダークマター以上にその正体は不明 n ダークエネルギーはいまだ理解していない新たな物理学を探る重要な手がかり

38 宇宙の組成と宇宙膨張の未来 n 宇宙の構造と進化の観測を通じて宇宙の組成を決定する宇宙の未来もわかる宇宙のサイズ? 宇宙のサイズ? 宇宙のサイズ減速膨張高密度 ( 重力が強い ) 宇宙加速膨張時間? 宇宙のサイズ等速膨張低密度 ( 重力が弱い ) 宇宙時間高密度 ( 重力が強い ) 宇宙加速収縮万有斥力が働く宇宙時間? 時間

39 宇宙論の進化 41

40 Astro2010: decadal survey n Cosmic Dawn n New Worlds n Physics of the Universe August 13,

41 The Science Frontier: discovery areas and principal questions n Discovery areas n Identification and characterization of nearby habitable exoplanets n Gravitational wave astronomy n Time-domain astronomy n Astrometry n The epoch of reionization 第二の地球重力波天文学突発激変天体近地球接近天体銀河系宇宙の精密測量宇宙の再電離

42 残れ課題謎 n 宇宙の起源 n 素粒子物理学量子重力理論の進展に依存 n ダークマターの直接検出 n 天文学から高エネルギー物理学実験へ n ダークエネルギーの性質の解明 n 宇宙の加速膨張の起源 n 重力波の直接検出 n 一般相対論の検証から新しい天文学の窓へ n 高エネルギー宇宙線の起源 n 粒子加速機構の解明粒子線天文学の開拓 n 超新星爆発ガンマ線バーストのメカニズム n 大質量星進化の最終段階の理解 n 第一世代天体の発見起源進化 n 宇宙の果てを見通す天体の起源元素の起源 n 恒星惑星の起源 n 星惑星コンパクト天体の形成と進化 n 地球型系外惑星の発見から宇宙生物学へ n 第二の地球生命文明の起源生物の普遍性

43 ( 天文学 ) 研究スタイルの必然的進化 : 太陽系外惑星探査を例として今はどの時期なのかを見極めることが本質紀元前 ~1995 年 1995 年 ~2009 年 2009 年 ~ 20xx 年地上からの系外惑星探査山師先駆者ハイリスクノーリターンゴールドラッシュハイリスクハイリターン定着ローリスクハイリターン 20xx 年 ~ 統計を稼ぐローリスクローリターンスペースからの系外惑星探査荒唐無稽ハイリスクノーリターン立案ハイリスクハイリターン実現ローリスクハイリターン定着ローリスクローリターン系外惑星上の生命探査論外 : 危ない人々十分成功して失うものがない人荒唐無稽ハイリスクノーリターン立案ハイリスクハイリターン実現? ローリスクハイリターン? ブレイクスルー 1995 年系外惑星発見 2009 年系外惑星専用衛星 Kepler 打ち上げ 20XX 年ハビタブル惑星発見???

Dark matter and dark energy: 21 st century clouds over the universe? http://www.physics.gla.ac.uk/physics3/kelvin_online/clouds.

44 Dark matter and dark energy: 21 st century clouds over the universe? n Lord Royal society on April 27, 1900 n beauty and clearness of theory was overshadowed by two clouds n Dark matter and dark energy in the 21 st century n Two dark clouds in astronomy? No! n Two probes of new physics? Yes (hopefully)

45 科学的宇宙観の進化 1990 年代 1980 年代ダークエネルギー 2010 年代 1970 年代光を出さない元素元素以外のダークマター星銀河 ( 光を出す元素 ) 宇宙の 95% 以上の成分が正体不明我々は何も知らなかった 48

46 20 世紀の天文学が見た夜空ノムコウ宇宙は何からできているか? n 我々の体をはじめ地上のすべての物質は元素から成る n しかし宇宙全体を考えると元素の割合は5% 以下 n 光は出さず重力だけを及ぼすダークマターが約 2 割 n 残る 7 割以上は宇宙を一様に満たすダークエネルギー n 目に見えない存在しない n 宇宙の主成分は目に見えない未知の存在 49

47 みえているものだけがすべてではない 50

48 大切なものは目に見えない 51

49 金子みすず : 星とたんぽぽ青いお空のそこふかく海の小石のそのように夜がくるまでしずんでる昼のお星はめにみえぬ見えぬけれどもあるんだよ見えぬものでもあるんだよ 52

50 おまけ n 明日 (12 月 8 日 )18:00より駒場一年生を対象とした理学部進学ガイダンスがありますのでそちらにもぜひ参加してください

対症療法でないセンター試験改革を - WEBRONZA＋科学・環境 - WEBマガジン - 朝日新聞社（Astand）

対症療法でないセンター試験改革を - WEBRONZA＋科学・環境 - WEBマガジン - 朝日新聞社（Astand）宇宙の加速膨張とは東京大学大学院理学系研究科物理学専攻須藤靖 1980 年代 1990 年代ダークエネルギー 2010 年代元素以外の 1970 年代ダークマター 2012 年 3 月 24 日 13:30-13:50 元素光を出さない宇宙線宇宙物理領域素粒子論領域合同シンポジウム加速膨張を続ける宇宙論日本物理学会 @ 関西学院大学星銀河 ( 光を出す元素 ) 2011 Nobel