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1 観測的宇宙論入門 ー宇宙はどこまでわかったかー 岡村定矩法政大学教授 ( 理工学部創生科学科 ) 東京大学名誉教授

2 Week 1 現在の宇宙の姿 Week 2 ビッグバン宇宙論 Week 3 ダークマターとダークエネルギー Week 4 太陽系外惑星と元素の起源

3 第 4 週 : 太陽系外惑星と元素の起源 4.1 太陽系外惑星の探し方 4.2 ケプラー衛星による革命 4.3 第二の地球を探す 4.4 地上の元素は宇宙でできた 4.5 星は元素の製造工場 4.6 私たちは星の子ども 太陽系外惑星 元素の起源 このテーマは観測的宇宙論の直接のテーマではありませんが 近年の進歩が著しい 太陽系外惑星 と 惑星や私たちを含む生命のもととなっている 元素の起源 について解説し 人類のルーツの根源は宇宙にある ことを認識します

4 第 4 週 : 太陽系外惑星と元素の起源 4.1 太陽系外惑星の探し方 4.2 ケプラー衛星による革命 4.3 第二の地球を探す 4.4 地上の元素は宇宙でできた 4.5 星は元素の製造工場 4.6 私たちは星の子ども

5 4-1. 太陽系外惑星の探し方 太陽の周りを回る惑星 これら無数の星の周りにも惑星系があるに違いない 長い間探し求めて 1995 年にようやく見つかった 太陽系外惑星 ( 系外惑星 ) 国立天文台 4 次元デジタル宇宙プロジェクト提供 太陽近傍の星々 Mitaka の画像 どのような方法で探すのか 銀河系にある 1000 億個の星 Mitaka の画像 撮影沼沢茂美 国立天文台 4 次元デジタル宇宙プロジェクト提供

6 4-1. 太陽系外惑星の探し方 3640 個の太陽系外惑星 (Aug. 7, 2017 現在 ) 方法 惑星数恒星 ( 主星 ) 数 複数惑星系 ドップラー (+アストロメトリ) トランジット 直接撮像 マイクロレンズ パルサータイミング Transit Timing Variation: TTV 総計 未確認 The Extrasolar Planets Encyclopaedia ( のデータ

7 4-1. 太陽系外惑星の探し方 とても扁平な楕円軌道 扁平軌道の惑星 Eccentric planet 地球 太陽系とは全く異なる姿 岩石惑星巨大ガス惑星氷惑星 金星 水星 HD96167 b 公転周期 499 日 井田茂著 異形の惑星 (NHK Books), 2003 質量は木星の半分程度 ( 巨大惑星 ) 主星からの距離は水星軌道より近い 51 Peg 熱い木星 Hot Jupiter 想像図 木星の半分 51 Peg b 水星軌道の1/7 公転周期 4 日! 火星 より より

8 4-1. 太陽系外惑星の探し方 ドップラー法 ( 視線速度法 ) (1995 年に初検出 ) 惑星は見えていない! 視線速度 揺れ動く 時間 ( 位相 ) 観測者 比較スペクトル線

9 4-1. 太陽系外惑星の探し方 ドップラー法 ( 視線速度法 ) (1995 年に初検出 ) 質量の推定が可能 ( ただし 軌道傾斜角は不明 ) 質量の下限値 惑星は見えていない! 視線速度 揺れ動く 時間 ( 位相 ) 観測者 比較スペクトル線

10 4-1. 太陽系外惑星の探し方 太陽系外惑星探査元年 ( ドップラー法による発見 ) (1995 年 ) 視線速度 51 Peg 4.23 日! 水星の公転周期は 88 日 51 Peg b 位相 Mayor, M. & Queloz, D. 1995, Nature, 378, (51 Peg) 木星質量の半分 51 Peg ホットジュピター びっくり仰天の発見 で惑星探査元年 ぺガスス座 51 番星 (51 Peg) のデータ 普通の恒星の周りにある惑星系の最初の確実な検出

11 4-1. 太陽系外惑星の探し方 惑星は見えていない! トランジット法 (2000 年に初検出 ) ( 軌道傾斜角 ~90 ) 半径の推定が可能 + ドップラー法 ( 視線速度法 ) トランジット惑星の場合は軌道傾斜角がほぼ 90 質量の推定が可能 惑星の密度がわかる ( ガス惑星 / 岩石惑星 )

12 4-1. 太陽系外惑星の探し方 HR 8799 直接撮像法 (2008 年に初成功 ) 2008/11/13 2 例同時発表 コロナグラフの原理 ( 明るい星に遮蔽マスクをつける ) 赤外線観測が有効 Credit&Copyright NRC-HIA, IDPS, Keck Observatory (2004 年と 2008 年の近赤外画像で確認 ) HR8799 ( ペガスス座 距離 129 光年 A5V) ジェミニ望遠鏡 フォーマルハウト ( みなみのうお座 距離 25 光年 A3V) ハッブル宇宙望遠鏡 2002 年にすばる望遠鏡で撮影した画像を再解析

13 第 4 週の第 1 回はここまでです

14 第 4 週 : 太陽系外惑星と元素の起源 4.1 太陽系外惑星の探し方 4.2 ケプラー衛星による革命 4.3 第二の地球を探す 4.4 地上の元素は宇宙でできた 4.5 星は元素の製造工場 4.6 私たちは星の子ども

15 4-2. ケプラー衛星による革命 Kepler 衛星 2009 年 3 月 7 日打ち上げ ハビタブルゾーン ( 生命居住可能域 ) にある地球型惑星の探査 有効口径 95cm デネブ 2013 年 8 月主観測終了 視野 105 平方度 Transiting planet トランジット惑星 はくちょう座 夏の大三角形 ベガ こと座 10 万個の恒星の明るさを 3.5 年以上に渡ってモニターする 1 万分の 1 の明るさの変化を観測 アルタイル わし座 より改変 - 惑星のトランジット現象 - 星震学 (asteroseismology) 中心星の質量 半径 年齢

16 4-2. ケプラー衛星による革命 あっという間の大成果! わずか13ヶ月間の観測から1235 個の候補が見つかった! その後も続々と発見 16ヶ月データと改良された解析から2300 以上 その内 1091 個は確実な惑星 (Batalha et al. 2013, ApJS, 204, 24) Kepler 衛星以前 僅か 3 星 わずか 3 星 Kepler 衛星以後 トランジット法のバイアスがあるかも

17 4-2. ケプラー衛星による革命 ハビタブルゾーン ( 生命居住可能域 ) 惑星の表面で液体の水が存在できる範囲 より改変

18 4-2. ケプラー衛星による革命 ハビタブルゾーンにある地球の いとこ NASAの記者発表 (2015/7/23) ヨーロッパ南天天文台 (ESO) の記者発表 (2016/8/24) プロキシマ ケンタウリ α ケンタウリ A, B 居住に適した地球に似た系外惑星の一覧 プロキシマ ケンタウリ -b ( ウィキペディアより 2017/8/10 閲覧 ) 想像図 地球類似指数 * * * 印は未確認 *

19 4-2. ケプラー衛星による革命 ケプラー衛星がこれまでで最多数の惑星発見を報告 NASA の記者発表 (2016/5/11) ケプラー衛星の 2015 年のカタログ 4,302 個の惑星候補 統計的な解析 550 個は地球のような岩石惑星の可能性がある 9 個はハビタブルゾーンにある 既知のものと合わせて 1,284(>99% 確実 ) 1,327( 多分惑星 ) 707( 多分違う ) 984( 他でも確認済 ) ハビタブルゾーン 21 個の惑星がハビタブルゾーンにある Morton et al. 2016, Ap. J., 822, 86 (arxiv )

20 4-2. ケプラー衛星による革命 ハビタブルゾーン ( 生命居住可能域 ) 惑星の表面で液体の水が存在できる範囲 より改変

21 4-2. ケプラー衛星による革命 ハビタブルゾーン ( 生命居住可能域 ) 惑星の表面で液体の水が存在できる範囲 より改変

22 第 4 週の第 2 回はここまでです

23 第 4 週 : 太陽系外惑星と元素の起源 4.1 太陽系外惑星の探し方 4.2 ケプラー衛星による革命 4.3 第二の地球を探す 4.4 地上の元素は宇宙でできた 4.5 星は元素の製造工場 4.6 私たちは星の子ども

24 4-3. 第二の地球を探す Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) リエージュ大学がチリで運用する 60cm ロボット望遠鏡 7 個の地球サイズの惑星系を発見 NASA 記者発表 (2017 年 2 月 23 日 ) TRAPPIST+VLT+Spitzer+HST など多数の望遠鏡 e,f,g は確実にハビタブルゾーンにある より TRAPPIST-1 ( トラピスト -1) みずがめ座距離約 40 光年スペクトル型 M8 表面温度約 2500 度 (K) 直径 : 太陽の 倍 ( 木星の 1.1 倍 ) TRAPPIST-1f 表面の想像図 近距離にあるので今後の詳細な追究観測に期待 想像図 Credits: NASA/JPL-Caltech Credits: NASA/JPL-Caltech

25 4-3. 第二の地球を探す 今後の追究観測 水 ( 海洋 ) 大陸 植物 生命の指標 ( バイオシグナチャー ) (1) 惑星の ( 反射光の ) スペクトルを直接観測する 惑星は暗いので 既存の望遠鏡ではきわめて難しい 次世代大望遠鏡の重要な研究テーマ TMT (Thirty Meter Telescope) 日本 アメリカ カナダ 中国などの国際協力で マウナケア山頂に口径 30m の望遠鏡を設置 を探す 国立天文台 TMT 推進室提供 Woolf & Angel 1998, Ann. Rev. A&Ap, 36, 507

26 強度 強度 強度 4-3. 第二の地球を探す 水 ( 海洋 ) 大陸 植物 生命の指標 ( バイオシグナチャー ) (2) トランジット中のスペクトルを調べる を探す 大気中に水蒸気の多い水惑星 100 大気中に CO 2 の多い惑星 ( 水は凍っている ) 惑星大気 地球 トランジット中の主星のスペクトルは惑星大気の情報を含んでいる 波長 (μm) L. Kaltenegger et al. 2013, ApJ, 775, L47

27 4-3. 第二の地球を探す 第二の地球はどれくらいある? ドレイクの式 (1961) 距離 1200 光年 (K2V) 高等文明 フランク ドレイク (1930 -) -birthday-to-frank-drake N = ,000,000!! ( 人によってさまざま ) 高等文明の寿命

28 4-3. 第二の地球を探す 生命居住可能な地球型惑星のための条件井田茂著 異形の惑星 (NHKブックス) 2003 恒星の条件 距離 1200 光年 (K2V) 第二の地球はどれくらいある? 惑星の条件 恒星の条件 + 惑星の条件 ( ) ( 銀河系の恒星数 :1000 億 ) 2000 万から 10 億個!

29 第 4 週の第 3 回はこれで終わります

30 第 4 週 : 太陽系外惑星と元素の起源 4.1 太陽系外惑星の探し方 4.2 ケプラー衛星による革命 4.3 第二の地球を探す 4.4 地上の元素は宇宙でできた 4.5 星は元素の製造工場 4.6 私たちは星の子ども

31 4-4. 地上の元素は宇宙でできた 原子と元素 10-8 cm cm 陽子の数で元素の種類が決まる <10-16 cm 元素の周期表 須藤靖著 ものの大きさ ( 東大出版会 ) より転載 東京書籍 新しい科学 ( 中学理科教科書 H28) より転載 改変 地球上で天然に存在する元素 : 84 種類 安定な元素 : 81 種類放射性元素 : 3 種類 ( トリウム ウラン プロトアクチニウム ) これらの元素はいつどこでできたのか? 113 番元素 2015/12/31 ( 日本で作製 発見 ) 名前 : ニホニウム (Nh) 2016/11 決定

32 4-4. 地上の元素は宇宙でできた ヒトに必須な常量の元素 ヒトに必須な微量の元素 岡村ほか編著 人類の住む宇宙 2 版 ( 日本評論社 ) より 東京書籍 新しい科学 ( 中学理科教科書 H28) より転載 改変

33 4-4. 地上の元素は宇宙でできた 錬金術で金はできたか? 空の食料庫をあさる子供達 貧民救済所に駆け込む ( 別の ) 錬金術師一家 最後の硬貨をるつぼに入れる錬金術師 もう硬貨は無いよ という妻 家の主 ( 夫 ) 学者 全ては無価値 という文を指さしている ブリューゲルの銅版画 錬金術師

34 4-4. 地上の元素は宇宙でできた 錬金術で金はできたか? 最後の硬貨をるつぼに入れる錬金術師 空の食料庫をあさる子供達 もう硬貨は無いよ という妻 家の主 ( 夫 ) 貧民救済所に駆け込む ( 別の ) 錬金術師一家 錬金術で金は作れなかった ( しかし 錬金術は現代の化学のルーツ ) 学者 全ては無価値 という文を指さしている ブリューゲルの銅版画 錬金術師

35 4-4. 地上の元素は宇宙でできた 化学反応と原子核反応 原子 4km 10-8 cm 須藤靖著 ものの大きさ ( 東大出版会 ) より転載 4cm原子核 cm 化学反応と原子核反応ではエネルギーが 100 万倍違う 地上の元素は宇宙でできた 化学反応 水素 + 酸素 水 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 原子核反応 亜鉛 + ビスマス ニホニウム Zn + Bi Nh 原子 ( 原子核 ) は変化していない matermas_jits/rct_form.htm 原子核の構造を変える必要がある

36 第 4 週の第 4 回はここまでです

37 第 4 週 : 太陽系外惑星と元素の起源 4.1 太陽系外惑星の探し方 4.2 ケプラー衛星による革命 4.3 第二の地球を探す 4.4 地上の元素は宇宙でできた 4.5 星は元素の製造工場 4.6 私たちは星の子ども

38 4-5. 星は元素の製造工場 ( 第 2 週の復習 ) ビッグバン宇宙論 ( ) 1. 宇宙は熱い火の玉 ( ビッグバン ) から始まった 2. ビッグバンの高温高密度下でさまざまな元素が出来た ( アルファー ベーテ ガモフ :αβγ 理論 ) ビッグバン という言葉は フレッド ホイルが BBC のラジオ番組でガモフの理論を揶揄して言った言葉 ガモフはそれを気に入って 自ら使い始めた 熱い黒体放射が宇宙を満たしていた 後にこれは間違いとわかる ガモフ (George Gamow, ) シリーズ現代の天文学第 1 巻 人類の住む宇宙 日本評論社 2 版より

39 4-5. 星は元素の製造工場ビッグバン最初の3 分間 ( 第 2 週の復習 ) H, He, Li, Be ( 軽元素 ) しかできなかった 標準 非標準ビッグバンモデルにある図を改変

40 4-5. 星は元素の製造工場 星の一生 重い元素はどこでできたか? かに星雲 (M1) after before 超新星爆発で一生を終える (Ⅱ 型超新星 ) 1054 年に爆発した II 型超新星の残骸 1987 年に大マゼラン雲に出現した II 型超新星 SN1987A ( ハッブル宇宙望遠鏡 ) ( アングロオーストラリア天文台 David Malin 撮影 ) の星は超新星爆発 (Ⅱ 型 ) で一生を終える 爆発時に鉄より重い元素もできる 爆発によって重元素が星間空間にまき散らされる 宇宙にある重元素は星の内部と超新星爆発 ( など ) でできた 岡村定矩編 天文学への招待 ( 朝倉書店 ) より改変 星は元素の製造工場

41 4-5. 星は元素の製造工場 なぜ星の中心核では鉄までしか合成されないのか 原子核 鉄は 1 核子あたりの質量が最小 陽子 中性子 鉄のコアができるともうエネルギーは出せない ( 陽子と中性子の個数の和 ) 岡村ほか編著 人類の住む宇宙 2 版 ( 日本評論社 ) より

42 第 4 週の第 5 回はここまでです

43 第 4 週 : 太陽系外惑星と元素の起源 4.1 太陽系外惑星の探し方 4.2 ケプラー衛星による革命 4.3 第二の地球を探す 4.4 地上の元素は宇宙でできた 4.5 星は元素の製造工場 4.6 私たちは星の子ども

44 4-6. 私たちは星の子ども 星の一生 星間ガス原始星 超新星残骸 すばる望遠鏡 銀河の中では 星の誕生と死 の物語が繰り広げられている 超新星爆発 外層噴出 星 ハッブル宇宙望遠鏡 惑星状星雲 ハッブル宇宙望遠鏡 原始星からのジェット ハッブル宇宙望遠鏡 星はガスから生まれて一生の終わりに大部分ガスに戻る ガス中の重元素は増加 銀河の化学進化

45 4-6. 私たちは星の子ども 質量 大 小 さまざまな質量の星の一生 星はガスから生まれて一生の終わりに大部分ガスに戻る 冷たいガス 星のゆりかご ( 星間物質 ) 短寿命 (1000 万年以下 ) 原 始 星 O 型星 B 型星 長寿命 (100 億年以上 ) II 型超新星爆発 太陽質量の 8 倍以上 A 型星 F,G 型星 K,M 型星 褐色矮星 熱いガス ブラックホール 惑星状星雲 stellar_evolution.html の図を改変 (Illustration: NASA/CXC/M.Weiss) 中性子星 冷たいガス 白色矮星 星のゆりかご ( 星間物質 ) 銀河の中では 星の誕生と死 の物語が繰り広げられている 星はガスから生まれて一生の終わりに大部分ガスに戻る ガス中の重元素は増加 銀河の化学進化

46 4-6. 私たちは星の子ども 大マゼラン雲 Hα 線 ( 熱いガスがよく見える ) 可視光 UK シュミット望遠鏡で撮影

47 4-6. 私たちは星の子ども 太陽系の誕生 すばる望遠鏡 ダスト ( 塵 ) 東北大学大学院理学研究科地学専攻 初期太陽系進化学グループ ホームページより 岡村ほか編著 人類の住む宇宙 2 版 ( 日本評論社 ) より

48 4-6. 私たちは星の子ども ヒトに必須な常量の元素 ビッグバン時にできた元素 ヒトに必須な微量の元素 私たちの体を作っている元素 ( 原子 ) は最低一度はどこかの星の中にあった 私たちは星の子ども! 人類の究極のルーツは宇宙にある 東京書籍 新しい科学 ( 中学理科教科書 H28) より転載 改変

49 4-6. 私たちは星の子ども 今から数百万年前に 太陽系の第 3 惑星 地球 に生まれた人類は その知的好奇心によって 自らのルーツは宇宙にあることを理解するに至ったのです jorgenmac / 123RF 写真素材

50 以上で 観測的宇宙論入門 ー宇宙はどこまでわかったかー の講義を終わります 聴講ありがとうございました

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