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まいえもてぎ
5 years ago
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1 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー 2009 年 6 月 13 日科学カフェ京都京大理学研究科宇宙物理学教室長田哲也ながたてつや 1

2 赤外線天文学 1800 年にハーシェルが太陽光をプリズムで分光した時に赤外線が発見されまた赤外線天文学も産声を上げたと言えよう天文学の技術革新の20 世紀後半から京大でも赤外線望遠鏡を作ってさまざまな観測を行いその発展に寄与してきた現代の赤外線天文学は星惑星の誕生の現場や銀河系の中心部宇宙創生の過去まで見通す観測天文学の主力の一つとなっている赤外線という電磁波の特徴 5 つ低温の物体からも熱放射として出る分子の振動などさまざまな輝線や吸収線がある紫外線や可視光が宇宙膨張で赤方偏移して観測される宇宙にただよう固体微粒子 ( 宇宙塵 ) に吸収散乱されにくい大気のゆらぎを補正してくっきりとした像を作りやすい ( 補償光学 ) 2

3 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー本日の講演イントロダクション 1609 年ガリレオの望遠鏡 1800 年にハーシェルが赤外線を発見 20 世紀後半の天文学の技術革新本日の講演の主要部赤外線の特徴 1 低温の物体からも熱放射 2 分子の振動などとして放射 3 宇宙膨張で赤方偏移 4 宇宙の塵に吸収散乱されず見通せる 5 大気のゆらぎを補正して高解像度 3

4 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー本日の講演イントロダクション 1609 年ガリレオの望遠鏡 1800 年にハーシェルが赤外線を発見 20 世紀後半の天文学の技術革新本日の講演の主要部赤外線の特徴 1 低温の物体からも熱放射 2 分子の振動などとして放射 3 宇宙膨張で赤方偏移 4 宇宙の塵に吸収散乱されず見通せる 5 大気のゆらぎを補正して高解像度 4

5 宇宙を見る眼 2009 年 4 月 11 日の植松恒夫先生の講演 5

6 宇宙を見る眼ラファエロのアテナイの学堂 6

7 宇宙を見る眼プラトンとアリストテレス 7

8 宇宙を見る眼 2009 年 4 月 11 日の植松恒夫先生の講演 8

9 宇宙を見る眼物質とその間を飛び回るもの 2009 年 4 月 11 日の植松恒夫先生の講演 9

10 宇宙を見る眼物質とその間を飛び回るもの宇宙線などと光と重力波 10

11 宇宙を見る眼ガリレオ 11

12 宇宙を見る眼ガリレオの望遠鏡の複製 12

13 宇宙物理学教室での講演会 13

14 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー本日の講演イントロダクション 1609 年ガリレオの望遠鏡 1800 年にハーシェルが赤外線を発見 20 世紀後半の天文学の技術革新本日の講演の主要部解像力集光力赤外線の特徴 1 低温の物体からも熱放射 2 分子の振動などとして放射 3 宇宙膨張で赤方偏移 4 宇宙の塵に吸収散乱されず見通せる 5 大気のゆらぎを補正して高解像度 14

15 赤外線の観測のための望遠鏡どっちでしょう?

16 ハーシェルによる赤外線の発見 (1800) 16

17 赤外線の観測のための望遠鏡普通の可視光と同様に鏡で反射する赤外線を検出する半導体のセンサー信号を増幅するエレクトロニクス

18 赤外線天文学の歴史 William Herschelが太陽光の中に赤外線を発見 (1800) JohnsonらのPbS 検出器による測光システム (1962 頃 ) Lowらが Ge:Gaボロメータ検出器を天文学に応用 (1960 代 ) 2μmサーベイ (1965 頃 ) IRCカタログ 5612 個の天体 IRAS( 赤外線天文衛星 ) による遠赤外全天サーベイ (1983) PSC 245,889 個 FSC 173,044 個の天体を検出 ISO( 赤外線衛星天文台 ) による観測 ( ) Herschel による DENIS, 2MASS による 1-2μm 全天サーベイ ( ) 赤外線の発見 (1800) 2MASS は 4.7 億個の天体を検出 18

19 赤外線の観測のための望遠鏡 (2) Subaru 8.2 m

20 赤外線の観測のための望遠鏡 (3) VLT 8m Keck 10m

21 2MASS 南 MASS 北 DENIS

22 ISO Akari Spitzer Space Telescope

23 IRAS 打ち上げ,

24 IRCカタログを作った 62インチ赤外線望遠鏡 1965 頃主鏡はエポキシ樹脂製!

25 1972 年 10 月京都大学上松あげまつ天体赤外線観測室 1m 赤外線望遠鏡の建設

26 京都大学上松あげまつ天体赤外線観測室 1m 赤外線望遠鏡の建設 1973 年

27 1973 年京都大学上松あげまつ天体赤外線観測室

28 1980 年 1m 赤外線望遠鏡は数々の学術論文を生み出した査読付き雑誌に 34 編博士の学位論文を 11 編 ( 天文月報 2003 年 12 月号による )

29 赤外線の観測のための望遠鏡普通の可視光と同様に鏡で反射する赤外線を検出する半導体のセンサー信号を増幅するエレクトロニクス

30 赤外線センサー (100 万素子 ) Refrigerator Head change

31 3 3 1 すばる望遠鏡のホームページから 2

32 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー本日の講演イントロダクション 1609 年ガリレオの望遠鏡 1800 年にハーシェルが赤外線を発見 20 世紀後半の天文学の技術革新本日の講演の主要部解像力集光力赤外線の特徴 1 低温の物体からも熱放射 2 分子の振動などとして放射 3 宇宙膨張で赤方偏移 4 宇宙の塵に吸収散乱されず見通せる 5 大気のゆらぎを補正して高解像度 32

33 ポイント 1 低温の物体からも熱放射

34 単位面積単位波長あたりにやって来るエネルギープランクの黒体放射ピーク波長は 2898 m K から物体の温度とその放出する電磁波の波長

35 T 型褐色矮星 Gl 229B

36 赤外線 12/12 太陽系のような惑星システムができつつある現場の観測 NGC1701 NGC1631 ESO417-6 NGC1463 ESO 想像図

37 星形成領域ケフェウス座 A 星形成領域 M17

38 星形成領域 NGC3603 星形成領域 RCW49

39 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー本日の講演イントロダクション 1609 年ガリレオの望遠鏡 1800 年にハーシェルが赤外線を発見 20 世紀後半の天文学の技術革新本日の講演の主要部解像力集光力赤外線の特徴 1 低温の物体からも熱放射 2 分子の振動などとして放射 3 宇宙膨張で赤方偏移 4 宇宙の塵に吸収散乱されず見通せる 5 大気のゆらぎを補正して高解像度 39

40 ポイント 2 さまざまな輝線吸収線 9/12 分子が振動して電磁波を出す ESO535-1 ESO417-6 量子力学の振動エネルギー準位 ESO 水素分子なら 2.12μm 等の近赤外線

41 すばる望遠鏡がとらえたオリオン星雲の水素分子輝線

42 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー本日の講演イントロダクション 1609 年ガリレオの望遠鏡 1800 年にハーシェルが赤外線を発見 20 世紀後半の天文学の技術革新本日の講演の主要部解像力集光力赤外線の特徴 1 低温の物体からも熱放射 2 分子の振動などとして放射 3 宇宙膨張で赤方偏移 4 宇宙の塵に吸収散乱されず見通せる 5 大気のゆらぎを補正して高解像度 42

43 ポイント 3 宇宙の膨張で赤方偏移遠方の銀河を観測すると宇宙は約 137 億年前のビッグバンから膨張し続けていると考えられている水素分子だけでなく水素原子やその他の原子などのスペクトル線の波長が伸びて赤外線の波長域に入ってくるすばる望遠鏡ハワイマウナケア口径 8.2m

Theodore Lyman (1874-1954) 水素原子スペクトルのライマン系列

44 Theodore Lyman ( ) 水素原子スペクトルのライマン系列

45 Theodore Lyman ( ) 水素原子スペクトルのライマン系列

46 水素原子スペクトルのライマン系列

47 宇宙の膨張で赤方偏移赤方偏移 z > 6 の銀河

48 宇宙の膨張で赤方偏移赤方偏移 6.54 だと 7.54 倍に波長がのびている赤方偏移 6.58 だと 7.58 倍に波長がのびている

49 宇宙の膨張で赤方偏移現在見つかっている最遠方の銀河 IOK-1

50 宇宙の膨張で赤方偏移赤方偏移 6.96 だと 7.96 倍に波長がのびている

51 宇宙の膨張で赤方偏移赤方偏移の大きい銀河

52 赤方偏移 z =3 ( 宇宙年齢 22 億年頃 ) の銀河 3 ~ 5 m クラスの望遠鏡で撮像して探査されてきた銀河間にある水素原子に吸収されるライマン連続波成分がガクッと減るライマンブレイク銀河活発に星形成 (10 2 太陽 / 年 ) する小型の銀河

53 赤方偏移 z =5 ( 宇宙年齢 12 億年頃 ) のライマンブレイク銀河銀河のスペクトルの予想計算値

54 赤方偏移 z =5 ( 宇宙年齢 12 億年頃 ) のライマンブレイク銀河星形成中の銀河のスペクトル

55 赤方偏移 z =5 ( 宇宙年齢 12 億年頃 ) のライマンブレイク銀河 Ly 輝線が弱いのはダストが多いから? 星間ガスの金属すでに多い?

56 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー本日の講演イントロダクション 1609 年ガリレオの望遠鏡 1800 年にハーシェルが赤外線を発見 20 世紀後半の天文学の技術革新本日の講演の主要部解像力集光力赤外線の特徴 1 低温の物体からも熱放射 2 分子の振動などとして放射 3 宇宙膨張で赤方偏移 4 宇宙の塵に吸収散乱されず見通せる 5 大気のゆらぎを補正して高解像度 56

Gustav Mie (1868-1957) 電磁波の散乱星間空間の微粒子によって波長の短い光ほど減光を受ける

57 Gustav Mie ( ) 電磁波の散乱星間空間の微粒子によって波長の短い光ほど減光を受ける赤外線観測!

58 ポイント 4 吸収散乱されにくい近赤外線では可視光の 1/10 しか吸収散乱されないえ? 10 倍の差なんて何万倍何億倍の宇宙の話にしては規模が小さい? 曾呂利新左衛門と秀吉の話 : 褒賞の米粒を 2 倍 2 倍と続けていけば 30 日でも 10 億倍にもなる可視光 ( 波長 0.5μm) の吸収散乱が 1/2 1/2 と 10 回繰り返されたとする 2 を 10 回かけると 1024 になるので 1/1024 に弱まってしまうそれが赤外線 ( 波長 2.2μm) では 1 回だけということで 1/2 に弱まるだけ銀河系の中心方向 : 可視光で見ると 1/1024 を 4 回ほど繰り返した量つまり 1 兆分の 1 になっている赤外線では 1/2 を 4 回繰り返した量つまり 16 分の 1 になるだけ

59 私達の銀河系 ( 天の川銀河 ) 南半球で魚眼レンズでとらえた天の川

60 銀河系の中心部を見通したい魚眼レンズで見た夜空

61 さまざまな波長で見た天の川

62 さまざまな波長で見た天の川 0.4GHｚ電波電離水素 1.5GHz電波水素原子 2.5GHz電波電離水素ふたたび 115GHz電波一酸化炭素分子遠赤外線固体微粒子近赤外線星銀河系全体可視光星ごく近くだけ X線ブラックホールなどガンマ線水素原子など起源 7/12

63 南アフリカ天文台に設置した赤外線望遠鏡 IRSF 名古屋大学国立天文台京都大学 2005 年天文月報 ( 日本天文学会誌 )

64 IRSF 1.4m 望遠鏡南アフリカ天文台に設置 SIRIUS カメラ ( 名大国立天文台 ) Blind pointing 3 rms J=19, H=18, Ks=17mag (10 分積分にて ) 8 x 8 視野

66 IRSF と南天の星空銀河面

67 南アフリカ天文台東経南緯標高 1761 m SALT10m IRSF

68 南アフリカ天文台 Sutherland telescopes 370km Cape Town

69 IRSF 1.2, 1.6, 2.2 m 銀河系中心部サーベイ 5 ( 銀経 ) 2 ( 銀緯 )

70 現代の天文学全 17 巻第 2 回配本銀河 II 日本天文学会が総力を結集した 100 周年記念出版日本評論社赤外線で見る銀河中心

71 HR 図ヒッパルコスカタログ等から ) 縦軸 : 真の明るさ横軸 : 青い星から赤い星へ一面には分布しない主系列星やレッドクランプ星

72 ピークの等級 HR 図での星のかたまりの光度遠い暗いーーーーーーー等レッドクランプ星近い明るい銀河系の中心方向度

73 IRSF/SIRIUS 銀河系中心部サーベイ銀河系を上から見た想像図キロパーセク (8 キロパーセクは 2 万 6 千光年 ) ±10 o NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

74 われわれの銀河系の背後にある宇宙の構造を赤外線で探る可視光近赤外線

75 銀河の全天分布とグレートアトラクター GA 領域大きな銀河の分布 ( 直径 1.3 以上 ; Kraan-Korteweg & Juraszek 2000)

76 8 太陽の倍の質量の銀河団

77 グレートアトラクターそれでも我々は動いている若松謙一氏 ( 岐阜大学名誉教授 ) 6 月 21 日 ( 日 )NPO 花山講演会

78 赤外線天文学ー可視光以外で宇宙を見るー本日の講演イントロダクション 1609 年ガリレオの望遠鏡 1800 年にハーシェルが赤外線を発見 20 世紀後半の天文学の技術革新本日の講演の主要部解像力集光力赤外線の特徴 1 低温の物体からも熱放射 2 分子の振動などとして放射 3 宇宙膨張で赤方偏移 4 宇宙の塵に吸収散乱されず見通せる 5 大気のゆらぎを補正して高解像度 78

79 ポイント 5 大気ゆらぎを補正してくっきり大気のゆらぎは光や赤外線の波の波面を平面波からずらせてしまう原因は密度のゆらぎ ( 温度のゆらぎと言い換えても良い --- ボイルシャルルの法則!) 温度のゆらぎ密度のゆらぎ屈折率のゆらぎただし屈折率はそもそも程度 v n = c の関係で屈折率が大きい場所では光の速さが遅くなるその部分を通った光は遅れる波面が平面からずれる平面からずれるとやって来る向きが違うように見える 1 波長の 1/3 ぐらいまでしかずれていないなら OK したがって波長が長い方がトク ( 可視光から近赤外にかけて屈折率はほぼ一定 ) Kolmogorov の乱流理論によると波長の 1.2 乗でトクになっていく

80 大気によるゆらぎ銀河系の中心付近の赤色超巨星 IRS7 ( 本当は点像のはず )

81 波面補正の原理補償光学 (Adaptive Optics) 波面の半分だけゆがませた鏡平面波大気のゆらぎ望遠鏡の焦点部分ゆらいでしまった平面波フィードバック補正された平面波波面センサー高解像度の観測装置

82 補償光学のパラメータ Wilson,R.N. "Reflecting Telescope Optics II" 2001 Springer による Fried parameter r 0 が波長が長くなるにつれて大きくなることに注意 λ(μm) r 0 (cm) N m 望遠鏡に対しての N τ(ms) θ( 秒角 )

83 銀河系の中心の赤外線像 6 秒角補償光学

84 銀河系の中心の赤外線像 3 秒角視野

85 銀河系の中心の赤外線像 3 秒角視野

86 銀河系の中心の赤外線像 3 秒角視野 1996

87 銀河系の中心の赤外線像 3 秒角視野 2000

88 銀河系の中心の赤外線像

89 すばる望遠鏡の視力を 10 倍にする補償光学 (2006 年 11 月 20 日新聞発表 ) 視野は53 秒角 - 太陽や月の直径の1/35 木星がすっぽり入る程度

90 すばる望遠鏡とレーザーガイド星補償光学 11/20/j_index.html

91 すばる望遠鏡とレーザーガイド星説明の原理図

92 すばる望遠鏡とレーザーガイド星波面をコントロールする可変形の鏡

93 すばる望遠鏡とレーザーガイド星波面をコントロールする可変形の鏡ナスミス焦点部に設置

94 すばる望遠鏡とレーザーガイド星波面センサーへの光ファイバー 188 素子からなる分割レンズ

95 すばる望遠鏡とレーザーガイド星 Na を光らせる和周波レーザー

96 すばる望遠鏡とレーザーガイド星ナトリウムを発光させる光とそれを通す光ファイバー

97 すばる望遠鏡とレーザーガイド星レーザー光線を発射する

98 すばる望遠鏡とレーザーガイド星補償光学 ON OFF

99 すばる望遠鏡とレーザーガイド星オリオン星雲の中心部トラペジウム星団

100 1".4 銀河系中心の超巨大ブラックホール Sgr A* の観測すばる望遠鏡と補償光学装置西山正吾長田哲也 ( 京大理 ) ほか静穏時フレア時 Sgr A*

101 銀河系中心の超巨大ブラックホール Sgr A* の観測 2009/3/24 産経新聞

102 基準として (1) 周囲の星 or (2) レーザーガイド星銀河系の中心の赤外線像数秒角視野補償光学の進歩

103 銀河中心 1 範囲の星

104 銀河系の中心の赤外線像 0.1 秒角データ

105 力のつりあいから Mm mv 2 G = r 2 r 万有引力遠心力 r v 2 M = ー G

106 銀河系の中心にある質量は太陽の 4 百万倍巨大ブラックホールと考えられる他の銀河にも中心部には太陽の百万倍から十億倍といったブラックホールがあるのではないかという状況証拠がある私達の銀河系のブラックホールはそれらに比べてまったく普通で特に重いわけでも活動が活発なわけでもないようだ

107 京大岡山 3.8m 新技術望遠鏡計画

108 岡山に設置東アジアには中口径望遠鏡がない超新星爆発など突発天体の観測に威力口径 3m 以上の望遠鏡所在地 108

109

110

111 計画の概要将来の超大型望遠鏡の基礎技術を開発 1) 超精密研削によって 3.8m 口径の主鏡を製作 ( 時間のかかる伝統的な研磨ではなく ) 2)18 枚から成る分割鏡を制御して結像 3) 軽量架台を使用 5 年後のファーストライトをめざす連携により共同運用を 111

1. 内容と成果研究チームは天の川銀河の中心を含む数度の領域について一酸化炭素分子が放つ波長 0.87mm の電波を観測しました観測に使用した望遠鏡は南米チリのアタカマ砂漠 ( 標高 4800m) に設置された直径 10m のアステ望遠鏡です観測は 2005 年から 2010 年までの長期

1. 内容と成果研究チームは天の川銀河の中心を含む数度の領域について一酸化炭素分子が放つ波長 0.87mm の電波を観測しました観測に使用した望遠鏡は南米チリのアタカマ砂漠 ( 標高 4800m) に設置された直径 10m のアステ望遠鏡です観測は 2005 年から 2010 年までの長期プレスリリース報道解禁 : 7 月 20 日 ( 金 )15 時 (7/24 関連論文のリンクを追記 ) 2012 年 7 月 12 日報道関係者各位天の川銀河の中心部に巨大ブラックホールの種を発見 ~7 月 20 日 ( 金 ) に記者発表を開催 ~ 慶應義塾大学国立天文台慶應義塾大学物理学科の岡朋治准教授らの研究チームはいて座方向太陽系から約 3 万光年の距離にある天の川銀河の中心部において