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1 ブラックホールを見る! --X 線天文学への招待 -- 松本浩典京都大学大学院理学研究科物理学第二教室宇宙線研究室助教 1/70

2 これは何の写真でしょう? SOHO 2/70

3 答え : 太陽の X 線写真 SOHO 太陽の普通の写真 3/70

4 可哀想な X 線写真 ピアスを飲み込んでしまったミニチュアダックスフント 4

5 X 線を使えば 別世界が見えてくる! 普通の写真 X 線写真 CXC CXC Centaurus A という銀河の写真 ( 中心部に巨大なブラックホールがいて ジェットを噴出 ) 5/65

6 銀河団 : 巨大な火の玉 普通の写真 X 線写真 CXC 単に銀河の集まり CXC 数千万度の高温ガスの塊 6/65

7 ちょっとした注意 注 : この講義では つい癖で ガス という言葉を使うかもしれません それは 単に 気体 という意味です 天然ガス プロパンガス などの 燃料 という意味ではありません 7/65

8 X 線天文学の魅力! 何が出てくるか予測できない! 人間の予想を超えた世界が見える それも自分たちの手作りの装置で! 8/65

9 内容 X 線とは何か? X 線天文学 歴史 日本の X 線天文学とすざく衛星 ブラックホールと X 線 恒星状ブラックホール 巨大ブラックホール 中質量ブラックホール 9/65

10 X 線の X は 正体不明の X 発見者 : レントゲン ( ) なんだか良くわからないが 体が透けて見える! X 線 = レントゲン線 1901 年第 1 回目のノーベル物理学賞受賞 10/65

11 日本人もいい線行ってた! レントゲンによる X 線の発見 1895 年 ( 明治 28 年 ) わずか 10 ヵ月後に 日本人も X 線撮影に成功 島津源蔵 = 島津製作所初代社長が初の撮影に成功 島津製作所 11/65

12 X 線って何? X 線は 光 ( 目にみえるやつ ) の親戚です 親戚とは? どういう意味? X 線の前に 少し光の話をしましょう 12/65

13 光と色 プリズム実験 虹 : 自然のプリズム実験 一口に光といってもいろいろな種類 ( 色 ) がある 13/65

14 光の色と温度 赤い光 青い光 温度低い 温度高い 物体の温度 (= エネルギー ) と色には関係がある 14/65

15 星の温度の測り方 星の温度は 色で測る 赤い 青い ベテルギウス 太陽 スピカ 3000 度ぐらい 6000 度ぐらい 度ぐらい 15/65

16 赤い X 線 = 色が 青過ぎる 光 色 青い エネルギー ISAS/JAXA 携帯電話で使う電波 ストーブの赤外線などは 色が 赤すぎる 光 みんなまとめて電磁波と呼びます X 線はエネルギーの高すぎる光ともいえる 16/65

17 まとめ 色 温度 エネルギー 赤 低い 低い 青 高い 高い X 線 すごく高い すごく高い X 線は温度 エネルギーの高い物体から出る X 線自身のエネルギーも高いので 人体も貫通 では どのぐらいの温度になったら X 線が出るのでしょう? 17/65

18 X 線を出す星の温度は? X 線のエネルギーは 黄色い光の約 500 倍 太陽は約 6000 度で 黄色い光を出す X 線を出す星があったとすると 太陽の500 倍熱い! 6000 度 500 = 度 (300 万度 )! 18/65

19 300 万度の星って!? 1950 年代に知られている星の温度は どんなに高くても数万度 当時の科学者の常識 百万度の星なんてあるわけないよ X 線星を探すなんて 無駄無駄 19/65

20 ところが. ブルーノ ロッシ MIT I must admit that my main motivation for pressing forward was a deep seated faith in the boundless resourcefulness of nature, which so often leaves the most daring imagination of man far behind. 超簡約 : 自然は人間より はるかに想像力豊かだ! ( ) 1962 年にロケット実験に挑む 20/65 でも名目は月の観測

21 なぜロケット実験? 普通の光 空気を簡単に通過 ( だから太陽が見える ) X 線 人体をも貫通する X 線なのに 大気は通過できません ( 逆に言うと 宇宙 X 線から守られている ) だから 大気圏外に出て観測しなければならない! 21/65

22 さそり座 X-1 の発見!=X 線天文学の夜明け ガイガーカウンター付ロケット さそり座の方向に向けたとき ガイガーカウンターが激しく鳴る 22/65

23 ノーベル賞ももらった リカルド ジャコーニー (1931 年 ~ 現在 ) 2002 年 日本の小柴昌俊先生と共に ノーベル物理学賞受賞 注 : 小柴先生はニュートリノ天文学 23/65

24 創始者 : 小田稔先生 日本の X 線天文学 ロッシ ジャコーニーと共に MIT で X 線天文学の実験に従事 1966 年に日本に帰国後 日本に X 線天文学グループを作り 指導力を発揮 日本を世界のトップへと導く ( ) 24/65

25 本当に日本がトップ? X 線天文学 人工衛星が必須 ずっと X 線天文衛星を打ち上げ続けていることが何よりの証拠! はくちょう ぎんが てんま あすか /65 ちなみに アメリカはこの 20 年で 2 台しか打ち上げていません

26 そして今! すざく衛星 (2005 年 7 月打ち上げ ) 26/65

27 すざく ( 朱雀 ) 衛星 全長 : 6.5m 重さ :1700kg キトラ古墳の朱雀 27/65

28 すざくの衛星の観測装置 X 線 CCD カメラ 硬 X 線検出器 我々 ( 京大グループ ) が開発に参加 東大などが開発 売ってないので自分たちで作る 28/65

29 X 線 CCD カメラ クリーンルームで実験中のわたくし デジカメを宇宙空間対応にして さらに X 線用に改造したようなもの きれいな X 線写真がとれる X 線の 色 が良くわかる =X 線のエネルギーが良くわかる 29/65

30 すざく衛星 X 線 CCD のデータ そのエネルギーの X 線の強度 X 線スペクトル 低い X 線のエネルギー高い 超新星残骸 E0102 のデータ 30/65

31 スペクトル = 内容物成分表 ミックスジュースの成分表のグラフのようなもの 内容物の成分グラフ = スペクトル グラム みかんいちごバナナりんご牛乳 31/65

32 スペクトルからわかること (1) 強度 酸素 酸素ネオンネオンマグネシウム 飛び出している部分 各原子に固有の X 線 ( 特性 X 線 ) どんな原子がどのぐらいあるのかわかる エネルギー 超新星爆発で 我々の身体の材料が作られた! 32/65

33 スペクトルからわかること (2) 特性 X 線を除いた 全体的な形 ( 曲がり具合 ) 強度 温度がわかる 超新星残骸 E0102 は 1 千万度の高温ガス エネルギー 33/65

34 すざく X 線 CCD の実力 すざく衛星形が一番くっきり 米国 Chandra 衛星 強度 ヨーロッパ XMM 衛星 エネルギー 34/65

35 すざく打ち上げ 2005 年 7 月 10 日 鹿児島県内之浦宇宙空間観測所 (USC) より M-V 型ロケット 6 号機で打ち上げ ここ! 打ち上げ方向 種子島じゃないよ 35/65

36 ここまでのまとめ X 線は光の一種である X 線はエネルギーが高い X 線は高温物質 ( 温度数千万度 ) などから出る X 線は大気に吸収されるので 観測には人工衛星などが必要 現在日本はすざく衛星を持っている すざく衛星は 世界で一番詳しいスペクトルを検出できる X 線スペクトルとは X 線の成分グラフ おまたせしました 宇宙の話に入ります 36/65

37 エックス線強度これは何だ? 白鳥座の方向に明るい X 線星! = Cygnus X-1 X 線で太陽の 1 万倍も明るい! X 線写真 0.1 秒以下の時間で X 線強度が激しく変動 時間 ( 秒 ) 37/65

38 時間変動の意味 大きさ L(km) 光速度 C(km/ 秒 )=30 万 km/ 秒 例え星が一瞬で消えても 消えるまでに L/C 秒かかる もし太陽が一瞬で無くなったとしたら. 太陽の直径は L= 約 140 万 km 光が通過するのに L/C=(140 万 km)/(30 万 km/ 秒 )= 約 5 秒 結論 :5 秒ぐらいかけて徐々に太陽は見えなくなる 38/65

39 Cygnus X-1 の場合 逆に言うと 点いたり消えたりするのにかかる時間から 物体の大きさがわかる Cygnus X-1 の場合 : 0.1 秒以下でついたり消えたりする 従って 大きさは 0.1 秒 30 万 km/ 秒 =3 万 km より小さい 太陽直径 140 万 km Cygnus X-1 はとても小さい星 39/70

40 普通の光の写真 Cygnus X-1 の位置に見える星は 太陽の 30 倍ぐらいの大きな星 X 線写真 光のドップラー効果を調べて この星が動いていることがわかった 普通の光では見えないが 太陽の 10 倍ぐらいの大きさの星の周りを回っているらしい 40/65

41 Cygnus X-1 の正体は? X 線だけで太陽の 1 万倍も明るい 重さは太陽の 10 倍ぐらいあるらしい しかし大きさは数万 km しかないらしい ( 太陽の 100 分の 1 ぐらい 地球に毛が生えた程度 ) あらゆる可能性を検討し 生き残ったのは. Cygnus X-1 はブラックホールである この説を世界で初めて唱えたのは 小田先生 (1971 年 ) 41/65

42 Cygnus X-1 想像図 ブラックホール X 線 光で見える星 相手の星を吸い込んでいる 42/65

43 ブラックホールとは? 広辞苑より高密度で重力があまりに強いために物質も光も体放出できない天体 物重力弱重力強重力極大 物体 光 ブラックホール あくまでイメージです 正確ではありません 43/65

44 相対性理論 一般相対性理論 重力に関する理論 アインシュタインがほぼ一人で作った ブラックホールは一般相対性理論で存在を予言されていた でも当時は 実在するとは誰も思っていなかった アインシュタイン ( ) X 線天文学がブラックホールを実在のものにした! 44/65

45 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 周囲が 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 物質同士の摩擦で熱が発生し 数千万度以上になって X 線を出す 45/65

46 どこでブラックホールは生まれる? 星 ( 恒星 ) は 次第に燃料を燃やしつくし 寿命を迎えます そのとき起こす大爆発を超新星爆発と言います ブラックホールは 超新星爆発で出来ると考えられています 少し星 ( 恒星 ) のことを勉強しましょう 46/65

47 ヘリウムの場合 その前に原子の話 電子 中性子 陽子 m 10-8 m 原子核 すべての物質は 原子 という小さな粒から出来ています 47/65

48 数値記法について 10-8 = のこと 1.0 から小数点が左へ 8 回移動 10 5 = のこと 1.0 から小数点が右へ 5 回移動 ゼロをたくさん書くとわかりにくくなくなる ので このように書くことが多いです 48/65

49 星の燃料 星は巨大なガス ( 気体 ) の固まり ほとんどが水素とヘリウム 水素やヘリウムの原子核融合 ( 原子核同士がくっつく反応 ) でエネルギーを出します 天然ガスなどの普通の燃焼は 原子同士がくっつく反応 つまり 自分自身が燃料 燃えカスとして どんどん原子番号の大きな原子ができます 49/65

50 周期表 星の体であり また燃料 2 段目以降は 星の燃えカス! 50/65

51 なぜ星は飛び散らない? 星は固体ではなく 気体 どうして飛び散ってしまわないのか? 答 : 重力で飛び散るのを引き止めているから! 51/65

52 重力って? 質量を持つ全てのものは お互いに引き付けあっています これを万有引力と呼びます ( ニュートンのりんごで有名 ) 質量の大きいものほど またお互いの距離が近いほど 万有引力は強くなります 地球の重力は みなさんと地球が引き付けあう力です 星は質量が大きいので 重力も強力です みなさん自身も お互いに引き合っています ただ あまりに弱い力だから気がつかないだけ 52/70

53 星のつりあい 圧力 重力 ( 万有引力 ) 原子核融合反応 53/65

54 燃料がなくなったら? 星は 自分自身が燃料 なくなったらしぼむしかない 星の外部は吹き飛んで超新星残骸 CXC 星の内部は圧縮されてブラックホール ( もしくは中性子星 ) 54/65 ( アニメ有り )

55 超新星爆発の実例 1987 年 2 月 23 日の大マゼラン星雲 55/65

56 1987 年 2 月 24 日の大マゼラン星雲 超新星爆発 小柴先生は この超新星爆発からのニュートリノを検出して 2002 年のノーベル賞を受賞 56/65

57 爆発の跡 : 超新星残骸 Cassiopeia A Kepler Crab CXC E G W49B 超新星残骸の X 線写真集 57/65 アニメーション

58 カシオペア A の中心 X 線写真 ブラックホール ( か中性子星 )? 58/65

59 SN1006 超新星残骸のスペクトル O Ne Mg Si S Ar Ca FI BI Fe すざく衛星スペクトル 星の内部の核融合で作られた原子がたくさん! 我々の身体の原子は 昔どこかの星で作られた 59/65

60 ブラックホールには他にも種類が! これまでの話 : Cygnus X-1 など 太陽の 10 倍ぐらいの重さのブラックホール ( 恒星質量ブラックホール ) 実は ほとんどの銀河の中心に 太陽の 100 万倍から 1 億倍のブラックホールがいることがわかっています これらを巨大ブラックホールと呼びます 60/65

61 我々の住む銀河の中心 太陽の 100 万倍ぐらいのブラックホールがある 61/65

62 天の川銀河中心 X 線写真 アニメーション 30 光年 太陽の 100 万倍の巨大ブラックホール CXC 62/65

63 すざくで見た銀河中心 硫黄 アルゴンカルシウム 鉄 鉄の 2 本の特性 X 線 =1 億度ぐらいの高温ガス ~200 光年 銀河中心 銀河中心には 温度 1 億度の高温ガスが充満している なぜ? ブラックホールの影響? 超新星爆発? すざく衛星が挑む 最大の謎の一つ 63/65

64 宇宙最大の巨大ブラックホール 乙女座にある M87 銀河 X 線写真 普通の光 ジェット 太陽の 1 億倍の重さのブラックホール 64/65

65 ブラックホールの重力の証明 すざくでとった MCG 銀河の巨大ブラックホールのスペクトル 鉄 本来の形 鉄の特性 X 線の形が すごくゆがんでいる ブラックホールの強烈な重力の影響 一般相対性理論の予言と一致 65/65

66 巨大ブラックホールはどこで生まれる? 最近までよくわかっていなかった 巨大ブラックホールと恒星ブラックホールの間のサイズのものを我々が発見! M82 銀河の X 線写真 恒星ブラックホール太陽の 10 倍ぐらい 中質量ブラックホール太陽の 1000 倍ぐらい 巨大ブラックホール太陽の 100 万倍以上 どうやらブラックホールは成長するらしい 66/65

67 日常生活とブラックホール ブラックホールは 強烈な重力のため光も吸い込みます これは 重力の理論である一般相対性理論で理解できます 一般相対性理論は 日常生活でよく使うある物に欠かせません なんでしょう? 答 : カーナビ 67/65

68 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しないといけない その理論こそ相対性理論 みなさんが社会に出るころには 相対性理論の理解は必須になっているでしょう がんばってください 68/65

69 まとめ X 線はエネルギーの高い光の一種である したがって温度の高いものから出る ブラックホールは強烈な重力で光も吸い込む しかし ブラックホールは物を吸い込む時に高温ガスを作るので X 線で光る ブラックホールには 3 種類 恒星ブラックホール 太陽質量の 10 倍程度 中質量ブラックホール 太陽質量の 1000 倍程度 巨大ブラックホール 太陽質量の 100 万倍以上 69/65

70 さいごに 我々日本の X 線天文グループは 2012 年ごろの打ち上げを目指し ASTRO-H 衛星の開発を進めています ASTRO-H 衛星計画 みなさんが大学に入学して 卒業研究をするころには 素晴らしいデータが得られることでしょう 一緒に研究しましょう 70/65

71 以降バックアップ

72 光の色 ( 虹 ) X 線 光 電磁波という波 電気と磁気が交互にうねりながら進む ( 電気力の元 ) 他の波の例 : 水の波 ( 磁気力の元 ) 72/65

73 波の他の例 : 音波 音 ( 音波 )= 空気自身のうねり 波長によって音が変わる 波長が長い 低い音波長が短い 高い音 波長が波の性質を決める! 73/65

74 光という波 ( 電磁波 ) 波長音光 短い高い青い 長い低い赤い 光の性質も 波長で決まる! 74/65

75 物体の温度と波長の関係 物体の温度 : T ( 絶対温度 K) 物体が出す光の波長 : L (cm) 絶対温度とは普通の摂氏の温度に 273 度足したもの 波長と温度は おおよそ次のように反比例 L = 0.3/T 実例 1: 太陽 (6000 度 ) の場合 L=0.3/6000=10 万分の 5cm 黄色い光はだいたい 10 万分の 6cm だから ほぼ正解! 実例 2: 人間 (310 度 ) は L=0.3/310=1000 分の1cm これは赤外線 だから赤外線カメラで暗闇でも見える 75/65

76 X 線を出す星の温度は? 波長と温度は おおよそ次のように反比例 L = 0.3/T X 線は原子一個分の長さぐらい L= cm=1 億分の 1cm 方程式を立ててみよう 1 億分の 1cm = 0.3/T ( 答 ) T=3000 万度! 76/65

77 なぜ色と温度 エネルギーが関係する? 簡単には答えられません 申し訳ありません 大学で 物理を勉強すればわかります 電磁気学 電気と磁石の学問量子力学 原子の世界の学問熱統計力学 熱に関する学問どれも 現代の全てのテクノロジーの基礎です しっかり勉強してください 77/70

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