物理学 ( 銀河 宇宙のふしぎ ) 補足資料 天体観測 : 天球の構造 赤経 赤緯 : 地球の経緯度を投影赤経 : 春分点を原点 星座と神話, 産経デラックス 1977 年 1 国立天文台天文現象情報 1930 年国際天文連合天球を88に区切り世界共通化 88 星座の一覧 http://www.nao.ac.jp/astro/sky/2019/ 2 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 1
天の川銀河 Milky Way 天漢のイメージ 棒渦巻銀河 : イメージ図 3 太陽系について 4 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 2
ハッブル宇宙望遠鏡 (Hubble Space Telescope :HST): 地上 559km 上空の軌道上を周回する宇宙望遠鏡 長さ 13.1 メートル 重さ 11 トンの筒型主鏡の直径 2.4m の反射望遠鏡 非常に美しい芸術的な天体写真を公開これらの写真は必ずしも本物の色ではないことがある 5 天の川銀河の全体像 : どのようにして分かったか! 天の川銀河の基本尺度 太陽系と天の川銀河の中心までの距離 26100 光年と太陽系の銀河回転速度 240km/s が精密に得られた この距離と速度から 太陽系は天の川銀河内を約 2 億年で1 周することがわかる http://www.astroarts.co.jp/news/2012/10/02milkyway/index-j.shtml 電波 (H 分布 ) で見た私たちの銀河系のうず 国立科学博物館 - 宇宙の質問箱 - 銀河編 6 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 3
銀河中心はどこに? いて座 Sagittarius M8( 干潟星雲 ): 散光星雲 M20( 三裂星雲 ): 散光星雲 いて座 A: 電波源 銀河系中心大質量ブラックホールを含む http://staff.miyakyo-u.ac.jp/~shogo-n/press/asjm04a/gc.html 7 ブラックホール (black hole) 太陽質量の 30 倍以上の恒星では 超新星爆発の後 中性子星になってもその重力を支えられずに重力崩壊が進行し 極限まで収縮したブラックホールとなる WMAP による宇宙マイクロ波背景放射のゆらぎ シミュレーション画像天の川を背景として太陽質量の10 倍となるブラックホールから 600km 離れた視点を想定し 理論的な計算を基に作成したシミュレーション画像 光はブラックホールより出られないため真っ暗で 周囲の光が重力でねじ曲げられる様子が描かれている (Ute Kraus 2004 年 [1]) 名称は アメリカの物理学者ジョン ホイーラーが1967 年に命名 https://ja.wikipedia.org/ はくちょう座 X-1 8 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 4
星の一生主系列星 : 水素がヘリウムにかわる核融合が安定な星水素を使い尽くした太陽 : 主系列星 赤色巨星へ 太陽の歴史と未来 45 億年前 ( 太陽誕生から1 億年後 ) に主系列星の段階に現在までに30% ほど明るさを増してきたとされている今後 : 太陽は光度を増し続け 主系列段階の末期には現在の2 倍ほどの明るさになると予想ヘルツシュプルング ラッセル図 (HR 図 ): 縦軸は明るさ 横軸は表面温度の恒星の分布図 恒星の最後 : 恒星の質量に依存太陽の 1/2 以下 : 赤色矮星 He 核主体の白色矮星太陽の 7 倍まで : 赤色巨星 C 核主体の白色矮星太陽の 7~8 倍 :C 核反応暴走 超新星爆発 飛散太陽の 8~10 倍 : 重力崩壊 + 超新星爆発 中性子星太陽の 10~30 倍 :Fe 生成 超新星爆発 中性子星太陽の 30 倍以上 : 超新星爆発 ブラックホール太陽の 100 倍以上 : 未確認だが対不安定型超新星 飛散 白色矮星 : 太陽質量の 1.4 倍まで 半径 ~1 万 km チャンドラセカール限界 中性子星 : 太陽質量の 1.5~2.5 倍まで 半径 ~10km トルマン オッペンハイマー ヴォルコフ限界 https://ja.wikipedia.org/wiki/ 9 キャッツアイ星雲 りゅう座にある惑星状星雲 3,600 光年 星の死の残骸 太陽サイズの恒星の最後段階 : 白色矮星 惑星状星雲 未知の星雲や彗星を探索した18 世紀の天文学者ウィリアム ハーシェルは 惑星のような円盤像に見える小型でぼんやりとした天体をいくつも見つけた ハーシェルが用いた 惑星状 という表現がこの種の天体の分類名になった NASA, ESA, HEIC, AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA). ACKNOWLEDGMENT: R. CORRADI (ISAAC NEWTON GROUP OF TELESCOPES, SPAIN) AND Z. TSVETANOV (NASA) 10 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 5
中性子星 太陽質量の 10~20 倍程度の恒星では 超新星爆発の後 重力崩壊で押しつぶされた直径 10 キロメートル程度の中心核が残る この中心核は 非常に強い重力のために原子核に電子が吸収された中性子からなる中性子星です 直径は 10 キロメートル程度でも 質量は太陽と同じ程度で 非常に高密度の星です 画像 (NASA 著作物 ) は 中性子星の想像図です 11 宇宙の大規模構造 (large scale structure of the cosmos) WMAP による宇宙マイクロ波背景放射のゆらぎ 宇宙の中で銀河の分布が示す巨大な泡のような構造, 宇宙の泡構造ともいう https://ja.wikipedia.org/ 12 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 6
演習 : 物質量 1 mol について (1) 粒子数 : 6.02 10 23 個 (2) 気体 ( 理想気体 ): 体積 : 22.4 リットル ( 標準圧力の変更 0.1MPa 22.7 リットル ) 蜜柑箱程度のサイズ ( 28 3 cm 3 ) (3,4) 固体と液体の体積 体積 : 気体の 1/1000 H 2 O:18cm 3 5) 原子 ( 直径 1A = 0.1nm) を 1 列に並べたら 10-10 m 6 10 23 = 6 10 13 m =400AU=6 10-3 光年 1AU=1.5 10 11 m=499sec 1 光年 =63200AU r(sun-pluto)=39au 最も近い恒星 (αcen):4.4 光年 13 演習続き : 大きな数 地球の構成原子数 ( 水素原子換算 ) M 地球 =5.97 10 24 kg, m=1/(6.02 10 23 )g N 地球 =3.6 10 51 H 換算個 太陽 M 太陽 =1.99 10 30 kg, m=1.66 10-27 kg N 太陽 =1.2 10 57 H 換算個 銀河系 ( 有効直径 10 万光年 ) M 銀河 =2 10 11 M 太陽 kg, 宇宙のサイズ (137 億光年 ) N 銀河 =2 10 68 H 換算個 80 N Eddington 10 エディントン数 : 見える範囲の宇宙にある陽子数 http://www.chibashinken.co.jp/hiroba/univ01b.html アンドロメダ銀河 : 銀河系の外 230 万光年 http://spaceinfo.jaxa.jp/ja/andromeda_galaxy.html 14 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 7
演習続き : 大きな数の世界に関連した物理 地球の質量を求めるには 月の軌道は地球の半径の何倍 月の質量を求めるには 太陽の寿命はどの程度 L r r L 2 2 4p 1.38kW/m, 1AU 26 3.9 10 J/s E M c 2 0 /1000, Mm F G mr 2 r 3 2 M r / G 地球の半径の 60 倍 太陽の質量の1/1000 が核エネルギーに変換 t E L 2 6 2 / 27.3d 2 / 27.3 24 60 60 2.66 10 rad/s 月が地球に及ぼす引力 潮汐力 1 m 1 m f1 G G ; 2 2 ( r R a) ( r) 1 M 1 M f2 G G ; 2 2 ( R) ( R a) 3 三角測量 : m(2 r R a)( R a) Ma(2 R a) 2 2 2 2 ( r R a) r R ( R a) r R, r a, R a m(2 r)( R) Ma(2 R) 2 2 2 2 ( r) r R ( R) m Mar 4 R a アンドロメダ銀河 : 銀河系の外 230 万光年 d / 2 sin / 2 r r d / 海面に及ぼす月からの引力 海面に及ぼす地球からの引力 0.5m 17 / 4.6 10 s 150億年 15 遠方の超銀河団の赤方偏移 遠ざかる光源からの光は, ドップラー効果により赤い方向に偏移 ハッブルの法則 : ほぼすべての銀河は遠ざかっており その後退速度は銀河までの距離に比例 赤方偏移の量 z 現在と比べた宇宙の大きさ 1 1 z z 現在までの時間 現在の宇宙比 0 0 (138 億年 ) 1 1 77(61 億年 ) 1/2 2 102(36 億年 ) 1/3 5 123(15 億年 ) 1/6 8 130(8 億年 ) 1/9 1000 138(38 万年 ) 1/1001 現在の見解 : クェーサー 超新星 γ 線バースト 銀河の観測から減速膨張宇宙から加速膨張宇宙 ダークエネルギーマイクロ波背景放射 宇宙の晴れ上がり 38 万年 https://ja.wikipedia.org/wiki/ 赤方偏移 16 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 8
Newton 無 の物理学 17 銀河 宇宙のふしぎ ISS 宇宙の始まりは? 宇宙の構造は? 宇宙の果ては? 恒星とは? 銀河とは? 白色矮星とは? 中性子星とは? ブラックホールとは? ダークマターとは? ダークエネルギーとは? 生命 : 宇宙の進化の過程で生かされ存在しているもの生きていることの有難さ / 命の大切さ 現代物理学の柱 量子論と相対論 宇宙の根本原理物質とはなにか 宇宙とはなにか? について同時に説明可能な原理を探求 18 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 9
課題 : 夏の大三角形を探してみよう 1 ベガ ( 織姫星 ): こと座白色の 1 等星 : ベガ以外は 3 等星で暗い 2 デネブ ( アラビア語で しっぽ ): はくちょう座 1 等星天の川を斜めに横切る形 北十字 3 アルタイル ( 彦星 ): わし座の 1 等星 課題 : 射手座を探して, 銀河中心に思いを寄せてみよう Newton 銀河宇宙のふしぎ 19 課題 : 国際宇宙ステーションの周期を求めてみよう 国際宇宙ステーション (ISS): 高度 400km の有人実験施設 ( 米, 露, 日, 加, 欧 ) 周回 90 分 実験 研究, 地球や天体の観測などを実施長期滞在には宇宙放射線への対策が必要日本が開発した きぼう ( 日本実験棟 ): 搭乗最大 4 名 iss: international space station http://iss.jaxa.jp/iss/ 20 Physics_nsu_01hubble, S. Harada 10