PPT - 宇宙線研究室

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
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これは何の写真でしょう？
©SOHO
2/70
答え: 太陽のX線写真
©SOHO
太陽の普通の写真
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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
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)
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銀河団:巨大な火の玉
普通の写真
©CXC
単に銀河の集まり
X線写真
©CXC
数千万度の高温ガスの塊
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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。
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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！
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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
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X線の「X」は、正体不明の「X」
発見者: レントゲン(1845-1923)
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
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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
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。
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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。
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光の色と温度
赤い光
温度低い
青い光
温度高い
物体の温度(=エネルギー)と色には関係がある
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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
3000度ぐらい
6000度ぐらい
スピカ
20000度ぐらい15/65
X線=色が「青過ぎる」光
赤い
青い
色
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。
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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
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 = 3000000度(300万度)!
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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
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。
(1905-1994)
20/65
でも名目は月の観測
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！
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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。
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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
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日本のX線天文学
創始者:小田稔先生
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。
(1923-2001)
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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
1979--1985
ぎんが
1987--1991
てんま
1983--1989
あすか
1993--2001
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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。
そして今！
すざく衛星(2005年7月打ち上げ)
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すざく(朱雀)衛星
キトラ古
墳の朱
雀
全長: 6.5m 重さ:1700kg
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すざくの衛星の観測装置
X線CCDカメラ
我々(京大グループ)が
開発に参加。
硬X線検出器
東大などが開発
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売ってないので自分たちで作る。
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。
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そのエネルギーのX線の強度
すざく衛星X線CCDのデータ
超新星残骸
E0102のデータ
X線スペクトル
 低い
X線のエネルギー
高い
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「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
250
グラム
200
150
100
50
0
みかんいちごバナナりんご
牛乳
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スペクトルからわかること(1)
酸素
強度
酸素
飛び出している部分
ネオン
ネオン
各原子に固有のX線
(特性X線)
どんな原子がどのぐ
マグネシウム
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
スペクトルからわかること(2)
強度
特性X線を除いた、
全体的な形
(曲がり具合)
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
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すざくX線CCDの実力
米国Chandra衛星
強度
すざく衛星
形が一番くっきり
ヨーロッパXMM衛星
エネルギー
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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
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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。
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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
エ
ッ
ク
ス
線
強
度
0.1秒以下の時間で
X線強度が激しく変動
時間(秒)
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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。
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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
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普通の光の写真
X線写真
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。
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。
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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)。
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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
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ブラックホールとは？
物
体
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
放出できない天体。
光
物体
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…
重力弱
重力強
重力極大
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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
(1879—1955)
X線天文学がブラックホール
を実在のものにした！
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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
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熱が発生し、数千万度以上になってX線を出す。
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
その前に原子の話
ヘリウムの場合
電子
中性子
陽子
10-15m
10-8m
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
数値記法について
10-8=0.00000001のこと
1.0から小数点が左へ8回移動
105=100000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。
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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。
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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！
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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！
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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。
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星のつりあい
圧力
重力
(万有引力)
原子核融合反応
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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)
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（アニメ有り）
超新星爆発の実例
1987年2月23日の大マゼラン星雲
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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。
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爆発の跡：超新星残骸
Cassiopeia A
E0102-72
Kepler
G320.4-1.2
Crab
©CXC
W49B
超新星残骸のX線写真集
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アニメーション
カシオペアAの中心
X線写真
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ブラックホール(か中性子星)?
超新星残骸のスペクトル
SN1006
FI
BI
Mg Si
O
Ne
S
Ar
Ca 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。
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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。
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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
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
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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。
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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
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ブラックホールの重力の証明
すざくでとった、MCG6-30-15銀河の
巨大ブラックホールのスペクトル
鉄
鉄の特性X線の形が、
すごくゆがんでいる。
本来の形
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
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
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
カーナビ
GPS衛星
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
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
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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
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以降バックアップ
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)
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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！
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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！
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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
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=0.00000001cm=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！
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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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