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 銀 河 団 = 銀 河 の 集 団 RASS 銀 河 団 = 数 千 万 度 の 火 の 玉 人 類 の 宇 宙 観 を 変 えた! 4
今 日 の 話 題 X 線 で 見 た 宇 宙 X 線 とは 銀 河 団 超 新 星 爆 発 ブラックホール X 線 天 文 学 を 支 える 技 術 X 線 天 文 衛 星 次 期 X 線 天 文 衛 星 ASTRO-H Ux 研 究 室 での 開 発 5
X 線 で 見 た 宇 宙 6
X 線 というと 透 過 力 が 強 い 人 体 も 通 過 医 療 用 写 真 7
X 線 の 発 見 : レントゲン(1895 年 ) Roentgen(1845-1923) 1901 年 ノーベル 物 理 学 賞 奥 さんの 手 の 写 真 8
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 早 くも 教 育 用 X 線 発 生 装 置 を 販 売 9
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 = 波 長 プリズム 実 験 虹 : 天 然 のプリズム 実 験 10
X 線 = 青 すぎる( 波 長 が 短 すぎる) 光 光 の 色 = 光 の 波 長 ( 波 長 短 いと 青 い) 可 視 光 の 波 長 : (4~8)X10-7 m X 線 の 波 長 : 10-11 ~10-9 m Cf. 水 素 原 子 の 大 きさ ~ 10-10 m 携 帯 電 話 テレビ リモコン こたつ お 肌 の 敵 癌 治 療 11
X 線 発 見 当 時 の 実 験 装 置 :クルックス 管 マイナス(-)の 電 圧 電 子 ( 見 えない) プラス(+)の 電 圧 電 子 と 金 属 が 衝 突 X 線 が 発 生 蛍 光 塗 料 12
X 線 発 生 の 原 理 : 電 子 の 加 速 電 荷 を 持 つ 粒 子 が 加 速 運 動 すると 電 磁 波 を 放 出 放 出 電 磁 波 の 振 動 数 = 加 速 (or 減 速 )のタイムスケール 金 属 板 電 子 線 金 属 板 電 圧 数 千 V 電 子 が 金 属 内 で 急 激 に 停 止 X 線 発 生 現 在 も 多 くのX 線 発 生 装 置 が 同 様 の 原 理 を 使 用 13
熱 による 電 磁 波 発 生 ポイント: 荷 電 粒 子 の 加 速 運 動 物 体 中 の 電 子 は その 温 度 に 応 じた 運 動 物 体 は 温 度 に 応 じた 電 磁 波 を 放 射 ( 熱 的 放 射 ) 赤 い 光 青 い 光 温 度 低 い (~600 ) 温 度 高 い(~ 数 万 度 ) 14
熱 によるX 線 発 生 X 線 を 出 す 温 度 は? 熱 エネルギー (kt) ~X 線 光 子 のエネルギー (hc/λ) 波 長 1nmのX 線 のエネルギー: 2x10-16 J=1.2keV 物 体 の 温 度 : T=1.4x10 7 K 物 体 の 温 度 が1000 万 度 以 上 にならないと X 線 は 出 てこない 地 球 上 の 平 均 室 温 ~300K 太 陽 表 面 ~6000K 最 も 温 度 の 高 い 恒 星 の 表 面 温 度 数 万 K 熱 的 にX 線 を 放 つ 天 体 は 極 端 に 高 温 15
X 線 で 宇 宙 を 見 る X 線 を 発 生 するには 非 常 に 強 い 電 場 磁 場 による 粒 子 加 速 ( 非 熱 的 X 線 ) 極 端 に 高 い 温 度 ( 熱 的 X 線 ) X 線 で 宇 宙 を 見 る 超 高 エネルギーの 世 界 ばかりが 見 える 変 わった(そして 面 白 い) 世 界 が 見 えてくる 地 球 上 で 人 類 が 実 験 で 切 る 環 境 は 限 られている それに 対 して X 線 で 見 た 宇 宙 は 極 限 の 世 界 人 類 が 築 き 上 げた 物 理 学 をテストする 絶 好 の 実 験 場 16
Abell2029の 例 X 線 画 像 銀 河 団 宇 宙 の 階 層 構 造 星 --- 銀 河 --- 銀 河 団 可 視 光 画 像 17
乙 女 座 銀 河 団 のX 線 スペクトル どんなエネルギーのX 線 がどれだけ 来 ているか X 線 光 子 の 毎 秒 到 来 数 日 本 のすざく 衛 星 による 観 測 X 線 光 子 のエネルギー 18
X 線 スペクトルの 構 造 2 種 類 の 成 分 連 続 成 分 線 スペクトル ( 輝 線 吸 収 線 ) 19
銀 河 団 スペクトルの 連 続 成 分 = 熱 的 制 動 放 射 - X 線 - + + - + 原 子 核 - + 高 温 のため 銀 河 団 ガスはプラズマ 状 態 ( 電 離 ) 電 子 が 原 子 核 によって 曲 げられてX 線 放 出 X 線 スペクトルを 見 ると 電 子 の 運 動 = 温 度 がわかる 20
銀 河 団 ガスの 温 度 連 続 成 分 を 調 査 X 線 光 子 の 毎 秒 到 来 数 典 型 的 な 銀 河 団 高 温 ガス 組 成 : ほとんど 水 素 とヘリウム 温 度 : ~10 8 K(cf. 太 陽 6000K) 密 度 : 中 心 部 ~10-3 個 /CC (cf. 地 上 超 高 真 空 1000 万 個 /CC) X 線 光 子 のエネルギー 21
銀 河 団 高 温 ガスの 質 量 Abell85 X 線 画 像 + 可 視 光 画 像 サイズ~1000 万 光 年 (~10 23 m) 大 雑 把 には ~ 密 度 X 体 積 X 水 素 1 個 の 質 量 ~10-3 個 /cc X (10 23 m) 3 X 2x10-27 kg ~2x10 45 kg 実 際 には 密 度 は 外 部 に 向 かって 減 るので ~10 44 kg ~ 太 陽 10 14 個 分 ~ 銀 河 数 千 個 分 銀 河 団 中 の 銀 河 数 : 数 十 ~ 千 個 CXC 銀 河 団 ガス> 銀 河 銀 河 団 の 実 態 = 銀 河 の 塊 というより 巨 大 な 火 の 玉 22
なぜ 銀 河 団 ガスは 散 らばらない? 銀 河 団 の 重 力 で 閉 じ 込 めている そのために 必 要 な 質 量 (M 全 体 )は? 重 力 エネルギー ~ ガスの 熱 エネルギー GM 全 体 m 水 素 /R ~ kt T=10 8 K, R=10 23 mを 使 うと M 全 体 ~10 45 kg M 銀 河 団 ガス~10 44 kg, M 銀 河 ~10 44 kg M 全 体 >>M 銀 河 団 ガス+M 銀 河 目 には 見 えないが 重 力 のみを 作 り 出 す 物 体 が 大 量 に 存 在! = 暗 黒 物 質 (ダークマター)の 存 在 証 拠 23
ダークマターの 謎 に 迫 る X 線 で 銀 河 団 ガスの 温 度 密 度 分 布 を 観 測 し ダークマター 分 布 を 探 る 池 辺 +1996 年, Nature その 他 には 重 力 レンズ 現 象 を 利 用 した 研 究 素 粒 子 物 理 的 な 研 究 ( 超 対 称 性 理 論 直 接 検 出 実 験 etc.) 24
X 線 スペクトル 輝 線 成 分 : 特 性 X 線 入 射 X 線 特 性 X 線 各 原 子 に 特 有 のエネルギーのX 線 原 子 の 種 類 電 離 状 態 などがわかる 25
銀 河 団 ガスの 輝 線 成 分 輝 線 成 分 を 調 査 X 線 光 子 の 毎 秒 到 来 数 Fe O Mg Si S Ar Ca さまざまな 重 元 素 が 存 在 Fe X 線 光 子 のエネルギー 26
原 子 ごとの 分 布 酸 素 鉄 銀 河 団 中 心 からの 距 離 乙 女 座 銀 河 団 : 松 本 ら(1996) 原 子 ごとに 分 布 の 様 子 が 違 う 原 子 の 誕 生 拡 散 過 程 と 関 連 宇 宙 の 化 学 進 化 の 解 明 も X 線 天 文 学 の 重 要 なテーマ 27
原 子 の 起 源 : 恒 星 宇 宙 の 誕 生 当 初 は 水 素 ヘリウムばかり 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) 28
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 29 (アニメーション)
超 新 星 1987A 1987 年 2 月 24 23 日 大 マゼラン 星 雲 30
X 線 画 像 集 超 新 星 残 骸 : 爆 発 の 名 残 Cassiopeia A Kepler Crab E0102-72 G320.4-1.2 W49B 31
超 新 星 残 骸 のX 線 スペクトル カシオペアA 鉄 硫 黄 珪 素 アルゴン カルシウム 星 で 作 られた 原 子 が 宇 宙 に 飛 び 散 っている 32
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 の 中 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 33
身 の 回 りへの 影 響 : 宇 宙 線 超 新 星 残 骸 から 飛 び 散 った 高 エ ネルギー 粒 子 = 宇 宙 線 空 気 シャワー 反 応 で 粒 子 数 増 加 34 ガイガーカウンターなどで 計 測
超 新 星 残 骸 で 宇 宙 線 誕 生 超 新 星 残 骸 SN1006 シンクロトロンX 線 高 エネルギー 電 子 が 磁 場 で 曲 げられてX 線 放 出 超 新 星 残 骸 で 宇 宙 線 が 誕 生 しているこ とを X 線 天 文 学 が 実 証 した 宇 宙 線 の 加 速 機 構 解 明 も X 線 天 文 学 の 重 要 課 題 35
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 36 ( 地 球 が 半 径 10kmまで 圧 縮 された 程 度 ) アニメーション
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 37
かに 星 雲 : 最 も 有 名 な 中 性 子 星 赤 : 赤 外 線 可 視 光 青 :X 線 1054 年 の 超 新 星 爆 発 で 出 来 た 中 性 子 星 CXC アニメーション 中 性 子 星 強 力 な 磁 場 (10 8 T) 高 速 回 転 ( 毎 秒 30 回 転 ) 38 回 転 エネルギーを 電 磁 波 に 変 換 する 仕 組 みは まだ 解 明 されていない
中 性 子 星 (パルサー)のX 線 写 真 集 CXC 3C58 The Mouse Vela Pulsar Black Widow Pulsar 2005 年 1 月 29 日 西 大 和 学 園 SSH 講 義 2 日 目 39 IC443 PSR0540-69
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 あくまでイメージ 普 通 の 星 ブラックホール 正 確 な 理 解 には 一 般 相 対 性 理 論 が 必 要 40
光 が 落 ちる: 相 対 性 理 論 Albert Einstein (1879--1955) 重 力 = 時 空 のゆがみ 光 の 進 行 方 向 に 影 響 41
ブラックホールからのX 線 はくちょう 座 X-1 CXC 光 すら 脱 出 できないのに なぜX 線 で 輝 くのか? 42
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 43 間 接 的 にではあるが BHの 近 傍 を 観 測 できる! アニメーション
活 動 銀 河 核 からのX 線 銀 河 の 中 心 核 には 10 6 ~10 9 Msunの 巨 大 BH 巨 大 BHが 盛 んに 物 を 吸 い 込 んでX 線 を 出 すと 活 動 銀 河 核 鉄 の 特 性 X 線 ドップラー 効 果 + 重 力 場 の 影 響 で 鉄 輝 線 が 広 がる BHは 回 転 している (Kerr BH)? X 線 天 文 学 によれば BH 周 辺 の 時 空 構 造 を 直 接 研 究 できる! 44
BHには2 種 類 ブラックホールの 成 長? 恒 星 質 量 BH (~10Msun) : 超 新 星 爆 発 で 形 成 巨 大 BH( 銀 河 中 心 核 ; 10 6 10 9 Msun): 形 成 過 程 不 明 M82 銀 河 に 中 間 質 量 BH 候 補 天 体 (10 3 10 6 Msun) BHは 成 長 しつつ やがて 巨 大 BH になる? 松 本 他 (2001) BHの 進 化 解 明 もX 線 天 文 学 の 主 要 テーマ 45
X 線 天 文 学 を 支 える 技 術 46
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 をリードしてきた はくちょう 1979-- 1985 ぎんが 1987-- 1991 てんま 1983-- 1989 あすか 1993-- 2001 47
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 48
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 49
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 50
Ux 研 の 果 たした 役 割 :X 線 望 遠 鏡 軽 くて 大 集 光 面 積 のX 線 望 遠 鏡 を 開 発 51
すざく 衛 星 打 ち 上 げ USC 打 ち 上 げ 方 向 種 子 島 鹿 児 島 県 肝 属 郡 の 内 之 浦 宇 宙 空 間 観 測 所 (USC)より 打 ち 上 げ 種 子 島 ではない 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 52
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 コマンドのアップロード データのダウンロード 53
内 之 浦 一 年 に 一 度 程 度 当 番 で 訪 れる 結 構 田 舎 です( 失 礼 ) 栄 倉 奈 々の 出 身 地 魚 はとてもおいしい 運 用 当 番 中 は 食 べることが 一 番 の 楽 しみ 54
日 本 の 次 期 X 線 天 文 衛 星 :ASTRO-H 超 精 密 X 線 スペクトル 高 エネルギーX 線 ガンマ 線 の 検 出 広 視 野 X 線 画 像 2013 年 度 打 ち 上 げ 予 定 55
ASTRO-H 衛 星 で 期 待 される 成 果 例 超 精 密 スペクトル ドップラー 効 果 で 銀 河 団 ガスの 運 動 解 明 ダークマターの 詳 細 分 布 解 明 超 新 星 残 骸 中 の 重 元 素 輝 線 測 定 超 新 星 爆 発 の 仕 組 みや 化 学 進 化 の 解 明 高 エネルギーX 線 観 測 高 エネルギー 粒 子 の 非 熱 的 放 射 観 測 宇 宙 線 加 速 機 構 の 解 明 銀 河 中 心 核 に 埋 もれたBHの 発 見 宇 宙 論 的 なBH 成 長 過 程 の 解 明 広 視 野 X 線 画 像 未 知 の 天 体 の 発 見 56
超 精 密 X 線 スペクトル スピン-スピン 相 互 作 用 スピン- 軌 道 相 互 作 用 が 見 える ドップラーシフトが 見 える
Ux 研 究 室 の 役 割 高 エネルギーX 線 用 望 遠 鏡 の 開 発 多 層 膜 スーパーミラーの 原 理 プロトタイプ( 気 球 実 験 用 ) ブラッグ 反 射 を 利 用 して 高 エネ ルギーX 線 を 反 射 現 在 ASTRO-H 用 望 遠 鏡 を 制 作 中 高 エネルギーX 線 での 宇 宙 の 画 像 が 初 めて 取 得 が 可 能 になる! 58
Ux 研 究 室 は みなさんのお 越 しを お 待 ちしています 特 に 宇 宙 の 観 測 的 研 究 が 好 きな 人 検 出 装 置 を 自 らの 手 で 作 りたい 人 みなさんが 大 学 院 生 になったとき ASTRO-H 衛 星 が 最 新 の 観 測 データを 出 しはじめます 実 験 物 理 にとって 世 界 一 級 のデータは 命 綱 です 世 界 一 級 のデータを 研 究 できる 絶 好 のタイミングです 興 味 を 持 った 方 は C307 号 室 までお 越 しください 59
ご 静 聴 ありがとうございました 60