第３講：宇宙は何からできているか？１．２．３．４． 2009.02.09-10 宇宙で最も沢山ある粒子宇宙で２番目に多い粒子宇宙で１番多い物質宇宙で最も大量にあるエネルギー島根大学集中講義 1 １．宇宙に一番沢山ある粒子 ”光” 宇宙マイクロ波の宇宙論における役割現代宇宙論の基礎数学：一般相対性理論 . (膨張宇宙は一般相対論の解：観測で裏付け) 入力： 2009.02.09-10 ホットビッグバン島根大学集中講義 2 晴れ上がり (宇宙マイクロ波) 宇宙の歴史クォーク・グルーオンプラズマ。現在。。インフレーションビッグバン… 10-44 秒 10-37 秒 10-10 秒 10-5 秒 3分 38 万年 2009.02.09-10 島根大学集中講義 10 億年 137 億年 3 ホットビッグバン宇宙スープのレシピ材温度 3,000,000,000,000,000度で1秒間煮沸する料 56% クォーク 16% グルーオン 9% 電子・ミュー・タウ 9% W と Z 5% ニュートリノ 2% フォトン 2% グラヴィトン 1% ヒッグスボソン秘密材料(特許) 暗黒物質暗黒エネルギー熱いスープ 2009.02.09-10 島根大学集中講義 4 一般相対性理論（神の方程式） 1 Rμν- - gμνR = 8πGTμν 2 入力(神の一撃) 出力ホットビッグバンアインシュタインは宇宙論を宗教から科学に変えた 2009.02.09-10 島根大学集中講義 5 膨張宇宙の発見(1929) 遠い銀河ほど速く遠ざかるセファイド . 明るさによる距離明るさによる距離 1929 エドウィン・ハッブル(1889-1953) 超新星 . 1998 赤方遷移 z 後退速度 2009.02.09-10 島根大学集中講義 6 2m 1m 2m -1秒 0 3m 4m 1秒 6m 2秒宇宙の一様膨張：あらゆる点が互いに遠ざかる空間が膨張： 2009.02.09-10 テントウムシは静止している。島根大学集中講義 7 宇宙の膨張ハッブルの法則： V=H0d H0=72 km/s/Mpc, H0=ハッブル定数 1Mpc=3.26 x106 光年 . . 銀河の遠ざかる速度は銀河までの距離に比例する。最初に距離 1Mpc離れていると、1秒後には1Mpc+72km、 2秒後には1Mpc＋144km離れる最初に距離 2Mpc離れていると、1秒後には2Mpc+144km、 2秒後には2Mpc+288km離れる 2009.02.09-10 島根大学集中講義 8 ハッブル定数が表す三つの重要な量 * 1 十分遠くへ行くと、速度は光速度を超える。宇宙の果て≒ c/H0＝１３７億光年 * 2 時間をさかのぼると、ある時刻で一点に収縮する。 . 宇宙の年齢≒1/H0＝１３７億年 * 3 物質の重力を振り切って膨張を続けられるか？注： *1,*2 は近似式 2009.02.09-10 . 島根大学集中講義 9 脱出速度地球からの脱出速度 11.2km/sec 地球の質量に依存する 2009.02.09-10 島根大学集中講義 10 宇宙の脱出速度 (物質だけ考慮した場合) 宇宙の大きさ ΩM = 物質密度 / 臨界密度 ΩM = 0 ΩM <1 ΩM = 1 ΩM > 1 現在宇宙の脱出速度は質量密度に依存する臨界密度 ρc=1.x10-29gr/cm3 =５個の陽子/cm3 時間宇宙は永遠に膨張し続けるか？ 2009.02.09-10 島根大学集中講義 11 ジョージ・ガモフ(1904-1968) 火の玉宇宙論提案者 αβ γ 2009.02.09-10 島根大学集中講義論文 (19 48) Phys. Rev. 73(1948), 803 12 宇宙は熱かった宇宙のあらゆる方向から来る絶対温度2.7度の電波雑音誕生後40万年の宇宙の姿 1965 ペンジャス・ウィルソン宇宙マイクロ波の発見 (1965) 2003 ２003 2003 10-5の精度 . WMAP (2003) 2009.02.09-10 島根大学集中講義 13 宇宙マイクロ波は何時の時代の光？ 137億年透明な宇宙不透明な宇宙 . 光 = 水素原子形成晴れ上がり元素合成ビッグバン . . 温度：陽子・電子とヘリウム原子核のプラズマ 10億Ｋ 3000Ｋ 2.725K 宇宙は膨張: 低温に 2009.02.09-10 島根大学集中講義 14 インフレーション宇宙構造の成長過程ビッグバン晴れ上がり宇宙のしわが大きくなる時間現在の宇宙 2009.02.09-10 こうして現在の宇宙ができた。 . . 島根大学集中講義 15 宇宙の大規模構造約30万個の銀河地図 3０億光年の彼方１２億光年 . The VIRGO project シミュレーション SDSS map 2009.02.09-10 島根大学集中講義 17 宇宙マイクロ波を量子力学に従い光の粒子・フォトンとして数えるとフォトン数＝400/cm3 星の光より圧倒的に多い陽子・中性子・電子などの物質粒子の数は物質粒子数＝ 0.2/m3 光は宇宙に最も沢山ある粒子 2009.02.09-10 島根大学集中講義 18 ２. 宇宙で２番目に沢山ある粒子ニュートリノはそこら中にあるが、誰も気づかないニュートリノは電気的に中性で、貫通力が強い。 “電気力や強い力は働かないが、弱い力が働く粒子” ニュートリノの役割は？ 2009.02.09-10 島根大学集中講義 19 太陽ニュートリノは地球を突き抜ける (実は鉛10光年分の厚さも通り抜ける）太陽ニュートリノを調べれば、太陽の内部構造が判る。（地球に600億個/cm2秒）太陽地球 (１億個に1個地球に当る）ニュートリノが燃焼速度をコントロールするので、太陽は45億年間、静かに燃え続け、生物の誕生進化を促した。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 20 ニュートリノ望遠鏡岐阜県神岡鉱山にあるスーパーカミオカンデ 2009.02.09-10 島根大学集中講義 21 ニュートリノで星の内部が覗ける。 (星のX線写真) 2009.02.09-10 島根大学集中講義 22 太陽の8倍以上重い星の一生ニュートリノが水素燃焼速度をコントロールするので核反応はゆっくりと進行し、水素とヘリウム以外の元素が星の中で作られる。鉄以上の重元素は、超新星爆発時に作られる。爆発寸前の超新星 (赤色超巨星) (青色超巨星) 2009.02.09-10 島根大学集中講義 . 23 宇宙の元素組成水素とヘリウムで99.9%を占める。ビッグバン時に、水素とヘリウムそしてわずかな重水素とリチウムが作られた。残りの重元素は全て星の中と超新星爆発時に作られた。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 24 太陽の8倍以上重い星の一生太陽は50億年後に赤色巨星となり外殻を吹き飛ばして惑星状星雲になる。芯は白色矮星になる。太陽は45億歳、余命50億年爆発寸前の超新星 (赤色超巨星) (青色超巨星) 2009.02.09-10 島根大学集中講義 . 25 . ニュートリノ爆弾超新星が爆発して、中性子星やブラックホールができる。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 26 2002年ノーベル物理学賞超新星爆発 . カミオカンデ 2009.02.09-10 島根大学集中講義 27 星の一生とリサイクル 2009.02.09-10 島根大学集中講義 28 ニュートリノの役割ニュートリノを使えば、光や電波では見えない星の深奥部を見ることが出来る。 45億年昔、太陽の近傍で超新星爆発が起こり、その衝撃波を受けて太陽系が誕生した。星の中の核融合をゆっくりと進行させ、種々の元素を合成する手助けをした。超新星爆発を起こし、元素を全宇宙に配給した。太陽の燃焼速度をコントロールして、常に代わらぬエネルギーを地球に与え続け、生命を発生進化させた。つまりわれわれはニュートリノのお陰で存在する。これらは全てニュートリノが弱い力を持つことが原因 2009.02.09-10 島根大学集中講義 29 ニュートリノは何処にいるか？宇宙線（陽子) . ビッグバン超新星太陽大気高エネルギー . シャワー地殻 (ウラニウム等) ビッグバンの化石ニュートリノは . まだ検出されていない。 2009.02.09-10 島根大学集中講義原子炉加速器 30 ビッグバンからの宇宙(化石)ニュートリノは宇宙のマイクロ波放射と同様にしてできた。ニュートリノ数＝330/cm3 (光は400/cm3) 光の次に沢山ある粒子。(通常粒子バリオンの100億倍) 宇宙ニュートリノが検出できれば、ビッグバン直後 (化石の光は３８万年後) １秒の宇宙の姿が判る。宇宙ニュートリノの検出方法はまだ判らない。そこら中に充満しているのに見えない幽霊粒子 Æ 無の粒子 2009.02.09-10 島根大学集中講義 31 ３．宇宙で一番多い物質暗黒物質（物質としては最も大量にある） 2009.02.09-10 島根大学集中講義 32 現代天体物理のミステリー暗黒物質の存在暗黒物質とは正体不明の光らない物質あちこちに塊となって存在するので、重力効果で検知可能１９３３年にツヴィッキーが指摘 (Fritz Zwicky、1898-1974) 2009.02.09-10 島根大学集中講義 33 宇宙の見える星の量ハッブル望遠鏡で 100億光年彼方の深宇宙を覗くここに3000個の銀河 2009.02.09-10 島根大学集中講義 34 約30万個の銀河地図 . 3０億光年の彼方まで全宇宙では 1000億個の銀河それでも見える星の量は臨界質量の～0.5% SDSS map 2009.02.09-10 島根大学集中講義 35 暗黒物質の存在証明１. 渦巻き銀河の回転速度剛体回転（車輪タイプ）回転速度Ｖ A BC Ｖはｒに比例 A B C 中心からの距離ｒケプラー回転（惑星タイプ） A 質量M 2009.02.09-10 . 回転速度Ｖ C B 島根大学集中講義 A B C 中心からの距離ｒ 36 期待される渦巻き銀河の回転曲線の形剛体回転ケプラー回転速度暗黒物質観測中心からの距離 2009.02.09-10 島根大学集中講義 37 暗黒物質の証拠：例２ (超銀河団内銀河の乱雑運動) かみのけ座銀河団 2.9億光年 2009.02.09-10 島根大学集中講義 38 暗黒物質の証拠：例３ (銀河団：巨大Ｘ線源) 巨大銀河団MS1054-0321 2009.02.09-10 島根大学集中講義 39 重力レンズ効果による像の歪み大質量 2009.02.09-10 島根大学集中講義 40 暗黒物質存在の証拠例４重力レンズレンズ遠くの光源 (銀河、銀河団) 光の経路 2009.02.09-10 島根大学集中講義 41 アインシュタインリング観測例 2009.02.09-10 島根大学集中講義 42 ハッブル宇宙望遠鏡が発見した重力レンズ効果 2009.02.09-10 島根大学集中講義 43 2009.02.09-10 島根大学集中講義 44 結論：宇宙の物質量は臨界質量の２８％そのほとんどが暗黒物質通常物質（陽子・中性子など）は4% Æ 暗黒物質は通常物質ではない最有力候補は，素粒子統一理論で予言するニュートラリーノやアクシオン注：ニュートリノは暗黒物質ではなかった。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 45 ４．宇宙で最も多いエネルギー形態 . (暗黒エネルギー) 暗黒エネルギーはどうやって発見されたか？暗黒エネルギーの正体は何か？宇宙の終焉はどうなるか？ 2009.02.09-10 島根大学集中講義 46 宇宙の運命は？ ΩM = 物質密度 / 臨界密度宇宙の大きさ ΩM = 0 ΩM <1 ΩM = 1 ΩM > 1 現在時間宇宙は膨張し続けるか？再収縮するか？ 2009.02.09-10 島根大学集中講義 47 宇宙の運命を知るために、過去の膨張速度を調べた。 . 方法：遠方銀河の速度と距離を測定速度：ドップラー効果による光の赤方遷移距離：標準光源の明るさを測定過去未来現在 2009.02.09-10 島根大学集中講義 48 宇宙の運命を知るためには、（１）過去の膨張速度を調べる。 . 方法：遠方銀河の速度と距離を測定速度の測定：ドップラー効果による光の赤方遷移（易しい測定。）距離の測定：標準光源の明るさを測定（結構難しい。）（２）宇宙にある物質量を調べる。方法： 2009.02.09-10 . 星や銀河の数を数える。速度分布を測る。重力レンズを使う。島根大学集中講義 49 絶対光度のわかっている光源があれば、見かけの光度から距離がわかる。見かけの明るさ 2009.02.09-10 島根大学集中講義 . 50 Ia 型超新星絶対光度が判っているので、標準光源として最適 I, II型：水素がない（ある）。Ia 型： Si がある。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 . . 51 Ia 型超新星であることは、スペクトル(色の分布)で判る。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 . 52 補正前補正後光度曲線 Ia型超新星であることは、スペクトル型から判る。輝度 Ia型の証明 (珪素吸収線) 2009.02.09-10 島根大学集中講義 53 超新星の見つけ方 . Supernova 1998ba Supernova Cosmology Project ハッブル望遠鏡写真 3週間前現在地上観測写真引き算後超新星発見 2009.02.09-10 地上撮影より衛星撮影の方が鮮明島根大学集中講義 55 加速宇宙の証拠暗い加速減速明るい超新星は、赤方遷移ｚの関数として、近傍 (z<1)で一度暗くなり、遠くで明るくなる Æ “宇宙初期には減速膨張、途中から加速膨張” 2009.02.09-10 島根大学集中講義 56 2009.02.09-10 島根大学集中講義 57 加速宇宙は可能か？ •重力は万有引力 Æ 通常物質は膨張を減速させる加速度 = - G X｛Ｍ（質量）＋３Ｐ（圧力）} アインシュタインニュートン . •負の圧力があれば加速に転じることは可能 •真空のエネルギーは、正のエネルギー • かつ負の圧力を持つ • Æ アインシュタインの宇宙項（反重力の存在） 2009.02.09-10 島根大学集中講義 58 結論：暗黒エネルギーが存在する暗黒エネルギーとは、物質の形態をとらないで、一様に広がっている正体不明のエネルギーの総称 (注：暗黒物質はかたまりとして散在する) 暗黒エネルギーの候補：宇宙項現代用語宇宙項＝真空エネルギー 2009.02.09-10 島根大学集中講義 59 一般相対性理論は宇宙が膨張もしくは収縮の途中であることを示す。アインシュタインは宇宙を安定させるために、斥力としての宇宙項を導入した。 1927年に宇宙の膨張が発見されると、わが生涯最大の過ちであるといって、宇宙項を放棄した。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 60 暗黒エネルギーの正体？アイタ！２重のミスだわい 2009.02.09-10 島根大学集中講義 61 宇宙項が復活した宇宙項は、数学的には方程式に入れても良いが、アインシュタインは入れる必要性を認めなかった。現代用語では、真空エネルギーと言う。斥力であるから加速膨張をもたらす。宇宙論研究者は、宇宙初期にインフレーション(急激加速膨張)があったと信じている。インフレーションを引き起こした真空エネルギーは、その後、熱化して電磁波や物質となり、完全に消えたと思われていた。明らかに、自然はごくわずかな真空エネルギーを残すことを選んだのである。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 62 インフレーション期の真空エネルギー密度～10 90gr/cm3 現在の真空エネルギー密度～10-29gr/cm3 どうやって、完全に消さずに、120桁もの小さい量を残せるのか？科学史上最大の計算ミス？ Æ 小数問題どうして今になって現れたのか？ Æ 偶然問題宇宙論研究者は今、途方にくれている。 Æ 21世紀物理の最大課題 2009.02.09-10 島根大学集中講義 63 これまでに述べた４つの主題は互いに関連している。一般相対論の要請輻射密度物質密度真空エネルギー密度 Ωrad＋ ΩΜ ＋ ΩΛ ＝1- ΩK ~0 0.26 0.74 宇宙の曲率 =0：インフレーション ~0：三角測量測定 0 宇宙の全エネルギー密度は、臨界密度に等しい偶然問題： Ωrad~D-4, ΩΜ~D-3, ΩΛ=定数 2009.02.09-10 島根大学集中講義 64 宇宙物質の組成暗黒物質 2009.02.09-10 島根大学集中講義 . 65 宇宙の終焉は？加速膨張： Hは時間と共に大きくなる。減速膨張 Æ 宇宙の果てはどんどん拡がる加速膨張 Æ 宇宙の果てはどんどん狭まる。淋しい宇宙：加速膨張宇宙では、遠くの銀河から消え去り、最後はアンドロメダ銀河以外の隣人は、皆居なくなる。～1000億年悲しき宇宙：その前に、天の川銀河はアンドロメダ銀河と衝突する。～50億年人類の運命は？太陽が赤色巨星となり地球を飲み込む。～50億年 2009.02.09-10 島根大学集中講義 66 まとめ宇宙で１番数の多い粒子はフォトンで、ビッグバンの化石宇宙で２番目に多い粒子は、ニュートリノ。ニュートリノは星のサイクル、重元素合成に大きな役割を果たす。暗黒物質は、宇宙で宇宙で最も多い物質形態。正体は不明。暗黒エネルギーはエネルギー的には、宇宙で最大量を誇り、加速膨張をもたらすが、正体は不明。 2009.02.09-10 島根大学集中講義 67 第３講宇宙は何からできているか？終わり 2009.02.09-10 島根大学集中講義 68 2009.02.09-10 島根大学集中講義 69