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つかさとべ
5 years ago
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1 宇宙のもう一つの顔 ~X 線で見た熱い宇宙 ~ 松本浩典名古屋大学現象解析研究センター 1 /78

2 講義にあたって講義中の質問コメント大歓迎ですぜひ質問してくださいメールアドレス 2 /78

3 通常の天文学 ( 乙女座銀河団 ) 3 /78

4 X 線でみると 4 /78

5 目で見る世界と X 線の世界 SDSS 銀河団 = 銀河の集団 RASS 銀河団 = 数千万度の火の玉 5 /78

6 今日の話題 X 線天文学入門 X 線とは銀河団超新星残骸中性子星ブラックホール 6 /78

7 X 線というと透過力が強い人体も通過医療用写真 7 /78

8 X 線の発見 : レントゲン (1895 年 ) Roentgen( ) 奥さんの手の写真 1901 年第一回ノーベル物理学賞 8 /78

9 当時の実験装置 : クルックス管マイナス (-) の電圧中は真空電子 ( 見えない ) 電子と金属が衝突 X 線が発生プラス (+) の電圧現代の X 線発生装置も本質は同じ 9 /78

10 島津源蔵 = 二代目島津製作所社長島津製作所レントゲンの発見 (1895 年 ) からわずか10ヶ月後 1897 年には教育用 X 線発生装置を販売 10 /78

11 X 線とは? 発見当初 : 正体不明の X 現代的な見方 : 光 (= 電磁波 ) の一種光の種類 : 色プリズム実験虹 : 天然のプリズム実験 11 /78

12 光 (= 電磁波 ) の種類電磁波の想像図色 = 波長携帯電話テレビリモコンこたつお肌の敵癌治療 12 /78

13 X 線 = 青すぎる光 X 線の波長 : ~0.001μm 原子の大きさ : ~0.0001μm 可視光の波長 : 0.4~0.8μm 13 /78

14 光の色とエネルギー赤い光青い光温度低い (~600 ) 温度高い (~ 数万度 ) エネルギーが高い (= 温度高い ) ほど出る光は青い 14 /78

15 X 線 = 高エネルギーの光 X 線の発生高い温度 (1000 万度以上 ) 比較 : 青白い星数万度高電圧で素粒子を加速 X 線発生装置 X 線で宇宙を見る極端にエネルギーの高い ( 変わった ) 世界ばかりが見える 15 /78

16 Riccardo Giacconi, Bruno Rossi /78

17 Bruno Rossi Quote The initial motivation of the experiment which led to this discovery was a subconscious feeling for the inexhaustible wealth of nature, a wealth that goes far beyond the imagination of man. 自然はネタの宝庫人間よりはるかに想像力豊か 17 /78

18 1962 年 ASE-MIT のロケット実験ガイガーカウンター Space Science Reviews, 1965, 4, /78

19 ( 太陽以外の ) 最初の宇宙 X 線検出 Giacconi, R.; Gursky, H.; Paolini, F. R.; Rossi, B. Evidence for x Rays From Sources Outside the Solar System Physical Review Letters, vol. 9, Issue 11, pp , /78

20 正体 : Scorpius X-1 可視光中性子星と青白い恒星の連星系 20 /78

21 2002 年ノーベル物理学賞 Pioneering work for astrophysics. R. Giacconi 小柴昌俊 R. Davis 21 /78

22 宇宙 X 線は地表に届かない可視光 X 線地球大気人工衛星で大気の外から観測 22 /78

23 X 線天文衛星 X 線は地球大気を通過できない天体 X 線観測のためには人工衛星が必要日本は継続的に衛星を打ち上げ世界をリードはくちょうぎんがてんまあすか /78

24 X 線天文衛星すざく (2005 年以降 ) 総重量 1.7t 消費電力 660W 総額 160 億円精度の良い X 線スペクトルがとれる 24 /78

25 すざく衛星打ち上げ内之浦宇宙空間観測所 (USC) より打ち上げ USC 打ち上げ方向種子島 25 /78

26 自転を最大限利用しよう赤道に近いほど地面の速度は速い! 打ち上げ場は赤道に近いところに作る 26 /78

27 万が一失敗したら大被害!! 打ち上げ場は東海岸に作るべし 27 /78

28 まとめると地球の自転を利用して打ち上げ基地はできるだけ南に作る東方向へ打ち上げ安全性を考え東海岸 USC 打ち上げ方向種子島だから種子島にも打ち上げ場 28 /78

29 世界の X 線衛星の例アメリカ : Chandra 衛星ヨーロッパ : XMM-Newton 衛星 29 /78

30 銀河団 Abell2029 の例 X 線画像可視光画像 30 /78

31 X 線の到来数 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) 31 /78

32 X 線到来数銀河団ガスの温度測定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) 32 /78

33 ヘリウム原子の模式図陽子中性子電子原子のおさらい - 原子核原子核 + 電子原子核 = 陽子 + 中性子原子の種類 = 陽子の数 ( 周期表 ) 水素 : 陽子 1 個ヘリウム : 陽子 2 個鉄 : 陽子 26 個 etc 電子がはがれるプラズマ状態原子核が壊れる核融合核分裂 33 /78

34 なめらか ( 連続 ) 成分の起源 = 電子の熱運動 - 電子 + X 線原子核高温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 34 /78

35 X 線到来数乙女座銀河団ガスの温度連続成分の曲がり方から約 2 千万度銀河団ガス : 一般に 2 千万度 ~1 億度 X 線のエネルギー 35 /78

36 X 線到来数連続成分からガスの量もわかる連続成分 = 電子と原子核のすれ違い密度と体積が関係連続成分の強度 ( 密度 ) 2 ( 体積 ) X 線のエネルギー (kev) 36 /78

37 銀河団高温ガスの密度 Abell85 X 線画像 + 可視光画像サイズ ~500 万光年 (~6x10 24 cm) CXC なめらか成分の強度から ( 密度 ) ( 密度 ) ( 体積 ) ~ cm -3 画像から体積 :( cm) 3 ~ cm 3 よって密度 ~ 原子個 /cc ものすごく希薄! 比較地上の空気 : ~ 原子個 /CC 人間が作る最高の真空度 : ~ 原子 10 5 個 /CC 37 /78

38 銀河団高温ガスの総質量 Abell85 X 線画像 + 可視光画像サイズ ~500 万光年 (~6x10 24 cm) ガスの総量 =( 密度 ) ( 体積 ) ~(0.001 個 /CC) ( cm 3 ) ~ 個銀河団ガスはほとんど水素 : 1 個 g ( 他にはヘリウム : 水素の 1/10 ぐらい ) CXC 銀河団ガスの質量 ~ 個 g ~ g ~ 太陽個 ( 太陽 1 個 = g) ~ 銀河 1 千個分 ( 銀河 1 個 ~ 太陽 2000 億個 ) 38 /78

39 銀河団の真の姿 : 巨大な火の玉 Abell85 X 線画像 + 可視光画像銀河団ガスの質量 ~ 銀河 1 千個分サイズ ~500 万光年 (~6x10 24 cm) ( 銀河 1 個 ~ 太陽 2000 億個 ) 銀河団に含まれる銀河の数 ~ 数百個銀河団ガス > 銀河の数 CXC 銀河の集合というより高温ガスの塊銀河団 = 巨大な火の玉 39 /78

40 なぜ銀河団ガスは散らばらない? 熱い気体はふつうは飛び散ってしまう 40 /78

41 宇宙にはダークマターがあるペルセウス銀河団 X 線 + 可視光 + 電波 CXC 銀河団の重力が銀河団ガスを引き留める目に見える物質 ( 銀河 ) の重力では数千万度の高温ガスを引き留めるには足りない目に見えない重力だけを作り出す謎の物体が大量に存在する宇宙には暗黒物質 ( ダークマター ) が存在 41 /78

42 X 線の到来数でこぼこ ( 輝線 ) 成分乙女座銀河団 ( すざく衛星 ) X 線のエネルギー (kev) 42 /78

43 でこぼこ成分 = 特性 X 線電子が軌道を変えるときに発生原子毎に決まったエネルギーの X 線どんな原子がいるのかわかる 43 /78

44 X 線の到来数銀河団ガス中の原子鉄シリコン乙女座銀河団 ( すざく衛星 ) アルゴン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) 44 /78

45 重元素の起源は? 酸素マグネシウム硫黄鉄鉄シリコンカルシウム主成分 : 水素 + ヘリウム 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? 45 /78

46 恒星のエネルギー源 : 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 ) 46 /78

47 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 ) /7847

48 超新星 1987A 1987 年 2 月日大マゼラン星雲 48 /78

49 超新星残骸 X 線の例チコブラーエカシオペア A 49 /78

50 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 50 /78

51 X 線の到来数 SN1006 真中部分の X 線スペクトルいろんな原子がいるネオンシリコン酸素硫黄マグネシウムアルゴンすざく衛星 ( 山口ら 2005) 鉄カルシウムエネルギー (KeV) 51 /78

52 原子の起源宇宙のはじまりは水素とヘリウムのみそれ以外の原子は全て星と超新星で生成原子の種類我々の身体も元はどこかの星の中にいた 52 /78

53 SN1006 端っこのスペクトル端部特性 X 線がない真中部 53 /78

54 シンクロトロン放射特性 X 線なしイオンが関わらない電子が磁場で曲げられて X 線磁場 X 線電子 54 /78

55 高エネルギー電子がいる evの運動エネルギーの電子光速の % ( 小数点以下に9が 15 個 ) 超新星で宇宙線が誕生している 55 /78

56 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ガイガーカウンターなどで計測 56 /78

57 超新星爆発の芯 : 高密度天体中心部は圧縮されてとてつもなく高密度の天体になる 57 /78 アニメーション

58 中性子星水素原子を圧縮電子中性子陽子注意 : あくまでイメージ正確には逆ベータ崩壊星の原子が圧縮されすぎて全て中性子に変わってしまった天体 58 /78

59 かに星雲 : 最も有名な中性子星赤 : 赤外線可視光青 :X 線 CXC アニメーション強磁場で高速回転宇宙の竜巻 59 /78

60 中性子星 ( パルサー ) の X 線写真集 CXC 3C58 The Mouse Vela Pulsar Black Widow Pulsar IC443 PSR /78

61 もっと圧縮された天体 : ブラックホール中性子星よりさらに圧縮された天体あまりに重力が強く光すら逃げられない光脱出物体落下光物体普通の星ブラックホール 61 /78

62 光が落ちる : 相対性理論 Albert Einstein ( ) 重力 = 時空のゆがみ光の進行方向に影響 62 /78

63 日常の中の相対性理論カーナビと GPS GPS 衛星と電波通信して車の位置を計算地球重力による電波への影響を相対論で計算 63 /78

64 ブラックホールからの X 線はくちょう座 X-1 CXC 光が脱出できないのになぜ X 線で輝く? 64 /78

65 相手の星を吸い込んで X 線を出すブラックホール吸い込まれる物質が摩擦で数千万度になって X 線を出す ( アニメーションアニメーション ) 65 /78

66 恒星質量ブラックホール候補天体 20 個程度日本評論社現代の天文学 8 ブラックホールと高エネルギー現象より 66 /78

67 全ての銀河の中心には巨大 BH 乙女座にある M87 銀河可視光 X 線写真 ( チャンドラ衛星 ) ジェット太陽の 1 億倍の重さのブラックホール 67 /78

68 銀河中心にも降着円盤 X 線ブラックホール 68 /78

69 活動銀河核巨大 BH から特に強い X 線ガンマ線 Centaurus A の例可視光 X 線 69 /78

70 宇宙 X 線背景放射宇宙には巨大 BH が満ち溢れる X 線写真 70 /78

71 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 ) 星が何かの周囲を回っている 71 /78

72 距離内の質量太陽質量の 200 万倍のブラックホール銀河中心からの距離 (pc) 72 /78

73 天の川銀河中心部 X 線写真チャンドラ衛星 BH 巨大 BH の場所 BH は X 線で光っているただし暗い 73 /78

74 天の川銀河中心の X 線スペクトルイオン化されていない鉄の特性 X 線 (6.4keV) 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) 74 /78

75 鉄の蛍光 X 線の分布 300 光年 X 線画像 ( すざく衛星 ) いて座 B2 領域天の川銀河中心核 ( 巨大ブラックホール ) 75 /78

76 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 は徐々に暗くなる 76 /78

77 照らしていたのは天の川銀河中心 BH いて座 B2 領域 300 光年 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た 77 /78

78 まとめ X 線はエネルギーの高い光 X 線で宇宙を見ると高エネルギー現象だけが見える銀河団超新星残骸中性子星ブラックホール 78 /78

79 バックアップ 79 /78

80 ブラックホールの種類恒星質量 BH: ~10 太陽質量 Cygnus X-1など超新星爆発で誕生巨大 BH: 100 万 ~10 億太陽質量全ての銀河の中心部どうやって出来るか不明中間はないのか? 80 /78

81 M82 銀河可視光 ( すばる望遠鏡 ) X 線 (Chandra) 81 /78

82 中間質量 BH 候補 M82 X 線写真銀河中心 + 恒星質量 BHにしては明るすぎる巨大 BHにしては銀河中心にない太陽質量の 1000 倍ぐらい? 松本ら 2001 年 9 月 12 日 NASA 記者発表 82 /78

83 すざく搭載 X 線 CCD デジカメなどに使われるCCDをX 線用に改良したもの優れた画像スペクトルが取得できる京都大学大阪大学宇宙科学研究所 MITなどで共 83 同開発 /78

84 すざく搭載 X 線望遠鏡 X 線でも反射できる特殊な反射鏡斜入射で全反射という現象を利用 X 線 CCDと組み合わせて X 線画像が撮影できる名古屋大学 NASA/GSFC 宇宙科学研究所などで開発 84 /78

85 すざく搭載高エネルギー X 線検出器 X 線 CCDよりも高いエネルギーのX 線を検出できる 85 /78 東京大学宇宙科学研究所などで開発

86 衛星の運用 USC 衛星高度 ~570km 一日地球を 15 周 USC 上空通過は一日 5 回一回あたり 10 分程度この間に全ての運用を終える 86 /78

87 衛星の運用 USC から運用科学者と企業 (NEC, 三菱電機など ) の方数名で運用当番 1 回の運用当番は ~2 週間 87 /78

88 かなりな田舎です栄倉奈々の出身地魚がすごくおいしい内之浦運用当番中は食べることが一番の楽しみ 88 /78

89 日本の X 線天文グループ宇宙航空研究開発機構宮崎大学愛媛大学広島大学神戸大学京都大学大阪大学奈良女子大学名古屋大学日本福祉大学金沢大学早稲田大学立教大学日本大学東京理科大学青山大学工学院大学首都大学東京東京工業大学中央大学東京大学芝浦工業大学埼玉大学理化学研究所などスタッフ大学院生など総勢約 250 名 89 /78

90 アメリカ : Chandra 衛星全長 14m, 4.6トン ( すざく全長 6.5m, 1.7トン ) スペースシャトルコロンビアで1999 年打ち上げ 90 /78

91 Chandra 衛星の特徴かに星雲 : Chandra 衛星 ROSAT 衛星綺麗な X 線画像 91 /78

92 ヨーロッパ : XMM-Newton 衛星全長 10m, 3900トンアリアンVロケットで 1999 年打ち上げ 92 /78

93 XMM-Newton 衛星の特徴空の何も無い所を長時間見た結果全てブラックホール暗い天体までよく見える 93 /78

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Microsoft PowerPoint - sentan_100517.ppt 2010 年 5 月 17 日先端物理学特論激動の宇宙 --X 線の宇宙は別の顔 -- 松本浩典理学部物理学科 Ux 研究室 ( 素粒子宇宙起源研究機構現象解析センター) 1 通常の天文学 ( 乙女座銀河団 ) 2 X 線でみると 3 目で見る世界とX 線の世界 SDSS