Title Author(s) Citation Issue Date 宇宙は熱いのか? 冷たいのか? 池内, 了 大阪大学低温センターだより. 91 P.1-P.5 1995-07 Text Version publisher URL http://hdl.handle.net/11094/7740 DOI Rights Osaka University 研 究 ノー ト 宇 宙 は 、 熱 い の か?冷 た い の か? 理学部 1.は 池1内 了(内 線5481) じめ に 低 温 セ ン タ ー で は 、 基 本 的 に 、 原 子 で で き た 物 質 の物 理 的 性 質 の 温 度 に 関 わ る挙 動 が 研 究 の 中 心 だ と 思 う。 物 質 の 基 本 構 造 は 物 質 を 構 成 す る イ オ ソ に よ っ て 決 ま り、 軽 くて 大 量 に 存 在 す る電 子 の 振 る 舞 い が 温 度 に よ って 微 妙 に 変 化 す る こ と か ら 、 実 に 多 様 な 現 象 が 生 じて い る。 そ れ に 比 べ て 天 体 は 剛 構 造 で 、' 重 力 とい う強 い 枠 で 固 め られ て い る の で 、 温 度 に よ る微 妙 な 振 る舞 い は 少 な い 。 ま た 、 温 度 の 概 念 も物 性 世 界 と は 異 な っ て い る。 そ こで 、 ま ず 天 体 の 温 度 に つ い て 簡 単 に ま とめ る。 次 に 、 温 度 が 重 要 な物 理 量 で あ る星 間 ガ ス や 銀 河 間 ガ 入 の話 題 を 取 り上 げ 、 私 た ち が 高 温 ガ ス に 取 り巻 か れ て い る こ と を 示 す 。 最 後 に 、 温 度 に 関 わ る宇 宙 論 の 最 近 の 私 の 研 究 に ふ れ る。 2.天 体 の 温 度 こ の 宇 宙 に は 、地 球 の よ うな 惑 星 、 太 陽 の よ うな 恒 星 、 恒 星 が1000億 個 も集 合 した 銀 河 、 そ して 銀 河 が1000個 集 ま っ た 銀 河 団 とい う構 造 が あ り、 そ れ ぞ れ 特 徴 的 な 質 量 や 密 度 を 持 って い る 。 これ らの 天 体 の 平 均 密 度 は 、 惑 星 や 恒 星 の1g/cm3か 宇 宙 全 体 の 平 均 密 度 の10-30g/cm3ま ら(中 性 子 星 や 白色 綾 星 の よ う な例 外 的 な 高 密 度 星 もあ る が)、 で30桁 に わ た って い て 、 密 度 ρ と 天 体 の サ イ ズRの 間 に ρo⊂1∼ 一2(1) と い う関 係 が 近 似 的 に 成 立 して い る。 一 方 、 原 子 で で きた 地 上 の 通 常 の 物 質 は 、 サ イ ズ に 関 わ らず 平 均 密 度 が(1-10)g/cm3で は重 力(万 有 引 力)で あ る 。 通 常 の 物 質 は 原 子 が 電 磁 力 で 横 並 び に 結 合 さ れ て い る の に対 し、 天 体 縦 並 び(入 れ 子 構 造 、 ま た は フ ラ ク タル 構 造)に 結 合 されて い る ことが 、 この差 の原 因 で あ る。 力 が 、 物 質 構 造 を決 め て い るの だ 。 そ れ で は 、 温 度 は ど う だ ろ うか 。 温 度 は 、 物 質 を 構 成 す る基 本 単 位 と な っ て い る 物 質 の ラ ソ ダ ム な 熱 運 動 の 大 き さ の 目安 だ か ら、 物 質 問 に働 く力 と は 関 係 しな い 。 しか し、 重 力 平 衡 に あ る天 体 の 温 度Tは 、 そ の 質 量 ル1とサ イ ズ1∼に よ っ て ん7「=Gル伽/1∼(2) と ユ ニ ー クに 決 ま って い る 。 んは ボ ル ツ マ ン定 数 、Gは 重 力 定 数 で あ り、 挽 は 天 体 を構 成 す る基 本 物 質 の 質 量 で あ る。 重 力 が 常 に 引 力 で あ り、 物 質 を 中 心 に集 め よ う とす る の に対 して 、 圧 力 勾 配 で そ れ に 抵 抗 して 平 衡 状 態 が成 り立 っ て い る か ら 、 温 度 が ユ ニ ー ク に 決 ま っ て しま うの だ 。 た だ 、 注 意 し な け れ ば な ら な い の は 、 圧 力 勾 配 を 作 り出 す の が 必 ず し も基 本 物 質 の 熱 運 動 に 限 らな い こ と で あ る。 地 球 の 場 合 は 、 原 子 で で きた 固 体 や 液 体 の 自 由 電 子 の 縮 退 圧 で あ り、 ② は そ の フ ェル ミ ・ エ ネ ル ギ ー の 大 き さ の 目安 と言 え る 。 この 縮 退 圧 で 支 え られ る 質 量 の 上 限 が ほ ぼ 木 星 く ら い で 、 木 星 よ り重 い 星 は 支 え き れ ず に 収 縮 し、 中 心 で 核 反 応 が 起 こ っ て 輝 く恒 星 に な る。 ま た 、 白色 罎 星 は 物 質 が プ 1 ラ ズ マ に な っ た 自 由電 子 の 縮 退 圧 、 中 性 子 星 は 中 性 子 の 縮 退 圧 で 支 え られ て お り、 各 々 そ れ ら の フ ェル ミ ・エ ネ ル ギ ー の 大 き さ を表 して い る。 だ か ら、 実 際 に電 子 や 中 性 子 が 持 つ 熱 エ ネ ル ギ ー と比 べ て 、 フ ェ ル ミ ・エ ネ ル ギ ー が 圧 倒 的 に 大 きい と 、 た と え 温 度 が 高 くて も低 温 の 星 と い う こ と に な る。 例 え ば 、 中 性 子 星 の フ ェ ル ミ ・エ ネ ル ギ ー は10MeV(温 度 に 換 算 す る と1011K)以 上 に も な る か ら 、 温 度 が100万 度 で も極 低 温 の 星 と言 え る 。 中 性 子 星 物 質 の 超 流 動 が 議 論 さ れ る ゆ え ん で あ る 。 一 方 、 銀 河 は 星 が 基 本 単 位 で あ る。 回 転 す る 銀 河 の 場 合 、 温 度 と い う概 念 よ り、 星 が 回 転 運 動 す る速 度 ηが び2=(々 丁加=)Gル 〃R(3) と決 ま っ て い る と 考 え れ ば よ い 。 星 は 回 転 運 動 の 他 に ラ ソ ダ ム な運 動 成 分 を 持 っ て お り、 そ の 速 度 は 回 転 速 度 の10分 の1く らい で あ る 。 これ が 星 の 温 度 に 対 応 す る か ら 、 回 転 す る銀 河 は 低 温 度 銀 河 と言 え そ う だ。 回 転 す る銀 河 は 、 角 運 動 量 を 持 って い る た め 、 収 縮 す る に つ れ 速 く回 転 す る よ う に な り、 遠 心 力 で 支 え られ る か ら十 分 温 度 が 上 が ら な か っ た 銀 河 な の で あ る。 他 方 、 楕 円 銀 河 と 呼 ば れ る フ ッ トボ ー ル や レ ソ ズ形 状 の 銀 河 は 、 ほ と ん ど 回 転 して い ず ラ ソ ダ ム運 動 の み で 支 え られ て お り、 そ の 速 度 分 散 が(3) で 与 え られ る 。 従 っ て 、 楕 円 銀 河 は 高 温 度 銀 河 な の で あ る。 楕 円 銀 河 は 、 角 運 動 量 を持 た な い か ら、 重 力 収 縮 して 温 度 が 上 が っ た と 考 え れ ば よ い 。 と こ ろ で 、 天 体 の 質 量 は ル1∼1∼3ρだ か ら、(1)の 関 係 を 利 用 す る と v2∼kT/m∼ 一 定(4) と い う関 係 が 得 られ る。 プ ラ ズ マ が 固 ま っ た 恒 星 と星 が 集 合 し た 銀 河 と い う、 ま っ た く組 成 も構 造 も異 な っ た 天 体 な の に 、(4)の関 係 が ユ ニ バ ー サ ル に 決 ま っ て い る の で あ る 。 一 般 に は 、 等 エ ネ ル ギ ー(=等 温)状 態 が 平 衡 系 を特 徴 付 け る が 、重 力系 で は 質 量 毎 に密 度 が 異 な る の で あ る。 こ の 関 係 式 が な ぜ 成 立 す る の か 、 ま だ よ くわ か っ て い な い が 、重 力 平 衡 系 の 重 要 な 特 徴 で あ る と思 わ れ る。 3.星 間 ガ ス と銀 河 間 ガ ス 星 や 銀 河 の よ う な物 質 の 固 ま りで な く、 銀 河 系 内 の 空 間 や 宇 宙 空 間 に一 様 に 広 が る ガ ス の 話 題 に 移 ろ う。 (星 間 ガ ス) 銀 河 系 内 に は1000億 個 の 星 が 分 布 して い る が 、 星 が 占 め る 体 積 の 割 合 は 全 体 の10咽 に し か過 ぎ ず 、 ほ と ん ど空 白 と言 え る 。(原 子 に 占 め る原 子 核 の 体 積 の 割 合 が10一'5であ る こ と を 思 い 出 す と、 銀 河 が い か に ス カ ス カ な の か が わ か る だ ろ う。)こ の 星 間 空 間 は 完 全 な 真 空 な の で は な く、 うっ す ら と ガ ス が 漂 っ て い る。 そ れ を 星 間 ガ ス と呼 ん で い る。 星 間 ガ ス の 組 成 は 、 時 代 の 観 測 能 力 と共 に 、 非 常 に 多 様 で あ る こ と が わ か って き た 。 ま ず 、 始 め は 可 視 光 で し か 観 測 で き な か っ た か ら温 度 が 数 千 度 の ガ ス し か知 られ て い な か っ た が 、 や が て 電 波(マ 分 子(1960年 代)が イ ク ロ波)観 測 か ら水 素 原 子(1950年 代)、 波 長 の 短 い 電 波 観 測 か ら 検 出 され た 。 さ ら に1970年 代 に 入 っ て 、 人 工 衛 星 を使 っ たX線 や 紫外 線観 測 か ら、 温 度 が10万 度 を越 え る高 温 ガ ス が 発 見 さ れ た 。 こ の よ うに 、 新 た な 波 長 で 見 る ご と に 、 新 た な 星 間 ガ ス の 相 が 発 見 され て き た の だ 。 そ の 度 に 理 論 家 は 、 モ デ ル を 変 更 しな け れ ば な ら な か っ た 。 星 間 ガ ス の 平 均 密 度 は1個/cm3で(実 験 室 の 真 空 と 比 べ る と 、 よ り完 全 な 真 空 だ が)、 濃 淡 は あ る。 2 濃 い 部 分 は 星 間 雲 と 呼 ば れ 、 水 素 原 子(HI)が 子 雲 が 知 られ て い る 。 前 者 の 温 度 は100K、 主 成 分 のHI雲 後 者 は10Kと と 水 素 が 分 子(H,)と なっ て い る分 、 低 温 の 世 界 で あ る。 こ の 分 子 雲 か ら星 が 生 ま れ て い る こ と が わ か っ て い る。 一 方 、 密 度 の 低 い ガ ス が 、 数 千 度 以 上100万 度 め 範 囲 で 大 き く広 が っ て 分 布 して お り、 さ ま ざ ま な履 歴 が あ る こ と を 示 唆 して い る よ うだ 。 問 題 は 、 こ れ ら星 間 ガ スが 全 体 と して ど の よ うな 状 態 に あ る か で あ る。 か つ て は 全 体 と して 圧 力 平 衡 に あ る と予 想 され て い た が 、 最 近 は イ メ ー ジ が 変 わ っ て きた 。 星 間 ガ ス は 、 星 の 爆 発 に よ って 激 し く加 熱 され 、 徐 々 に 輻 射 冷 却 に よ って 温 度 が 下 が っ て ゆ くか ら、 い ろ い ろ な 温 度 の 相 を ほ ぼ圧 カ ー 定 の 状 態 で 経 巡 って い る と想 像 さ れ て い た の だ 。 と こ ろ が 、 星 は 星 団 と して 集 団 で 生 ま れ る か ら、 星 の 爆 発 も集 中 して 起 こ る(星 の 寿 命 の 差 が あ る だ け 、 爆 発 時 刻 は 少 しず れ る が)。 そ の 結 果 、 周 りの 星 間 ガ ス は 非 常 な 高 温 に加 熱 さ れ 、 銀 河 か ら逃 げ 出 そ う と大 ぎ く広 が る。 しか し、 や が て 輻 射 冷 却 で冷 え 、 重 くな っ て 銀 河 へ 戻 っ て く る。 こ の よ う な ガ ス の 銀 河 内 で の 大 楯 環 を 、 私 は 「煙 突 モ デ ル 」 と して 提 案 し た 。 [1コ 公 害 問題 の ア ナ ロジーで あ る。 星 が 次 々 と爆 発 す る場 所 は 、 い わ ば 工 場 の ボ イ ラ ー を沸 冷 す 部 分 。 こ こで 高 温 に な っ た ガ ス に は 、 星 の 爆 発 時 に 作 ら れ た重 元 素(ウ ラ ン や プ ル トニ ウ ム な ど)が 多 く含 ま れ 、 原 爆 の キ ノ コ雲 の よ うな 形 で 銀 河 上 空 へ 昇 っ て ゆ く。 こ れ は 、 煙 突 か ら排 出 され る窒 素 や イ オ ウ の 酸 化 物 を 多 く含 ま れ る ガ ス に 似 て い る。 や が て 、 銀 河 上 空 で ガ ス は 冷 え 、 密 度 が 上 が って 雲 に な り、 や が て 銀 河 へ 落 下 して 戻 っ て く る 。 さ しず め 、 酸 性 雨 が 降 る の に似 て い る 。 地 上 で 起 きて い る の と 似 た ガ スや 水 の 循 環 が 、 銀 河 で も星 間 ガ ス の1億 年 を か け た3千 光 年 も の 大 き さ の 循 環 運 動 が 生 じて い る の で あ る 。 この 煙 突 モ デ ル は 、 星 間 ガ ス が 静 か に 相 変 化 して い る の で は な く、 ダ イ ナ ミ ッ ク に 大 運 動 を しつ つ 相 変 化 を して い る こ と を 示 して い る。 (銀 河 間 ガ ス) さ ら に 大 ぎ な 宇 宙 空 間 に 話 を 広 げ よ う。 この 宇 宙 で は 、 物 質 の ほ と ん ど は 銀 河 と い う固 ま り に な っ て 宇 宙 空 間 に 分 布 し て い る。 そ の た め 、 銀 河 宇 宙 と呼 ば れ て い る。 さ て 、 こ の 銀 河 と銀 河 の 間 の 空 間 に は 何 が存 在 す る の だ ろ う。 す べ て の 物 質 が 銀 河 に 取 り込 ま れ て し ま っ た と は 考 え に くい か ら、 や は り銀 河 間 ガ ス が漂 っ て い る と考 え られ て き た 。 し か し、 こ の30年 、 い ろ い ろ な 波 長 で 観 測 し た が 、 ま っ た く銀 河 間 ガ ス が 存 在 す る徴 候 が 見 つ か ら な か っ た 。 そ こ で 、銀 河 間 ガ ス は 非 常 に 希 薄 で 、 ほ と ん ど 完 全 電 離 して い る(温 度 が1万 度 以 上 〉 の だ ろ う と考 え られ て き た 。 透 明 人 間 が 見 え な い の は 、体 か ら光 を 発 す る こ と も 、 光 を 吸 収 す る こ と も な い た め で 、 そ の た め に は 密 度 が 低 く、 か つ 後 ろ か らの 光 を遮 ら な い た め に は 原 子 で あ っ て は い け な い 。(原 子 は 光 を 吸 収 す る の で 、 吸 収 線 で 検 出 さ れ る 。)だ か ら 、 透 明 人 間 は 不 可 能 な の だ が 、 広 が っ た ガ ス な ら影 も形 も見 え な い と い う こ と が 可 能 な の だ 。 し か し、 昨 年(1994年)、 よ うや く銀 河 間 ガ スの 影 ら し き もの が 見 つ か っ た 。[2](ま だ1例 しか な い の で 、 確 定 し た と は 言 い 難 い が 。)銀 河 間 ガ ス は 水 素 と ヘ リウ ム か ら成 り立 っ て い る。 そ れ よ り重 い 元 素 は 星 内 部 の 核 融 合 反 応 に よ っ て 作 られ 、 ほ ぼ 銀 河 内 部 に 閉 じ込 め られ て い る と考 え られ る か らで あ る。 こ れ ま で の 銀 河 間 ガ ス の 探 査 は 、 水 素 原 子 に よ る 放 射 輝 線 か 吸 収 線(背 後の 銀河 や クエー サーの 光 を 調 べ る)で 行 わ れ て きた が 、 す べ て 上 限 値 しか 得 ら れ な か っ た 。 現 在 、 私 た ち の 上 空600kmく らい を 望 遠 鏡 が 人 工 衛 星 と な って 飛 ん で い る。 大 気 外 か らの 観 測 な の で 、 紫 外 線 領 域 で も光 が や っ て く る。 こ 一3一 れ に よ り 、 ヘ リ ウ ム の 原 子(Hel)、 Hellに 一 回 電 離 し た イ オ ソ(Hell)の 観 測 が 可 能 に な った 。 そ の 結 果 、 よ る吸 収 が 検 出 さ れ た の だ 。 これ が 実 際 銀 河 間 ガ ス に よ る 吸 収 と す る と 、 温 度 は3×104K程 度 と 予 想 で き る。 さ て 、 ど の よ う な 過 程 に よ っ て 銀 河 間 ガ スが この よ う な 高 温 度 に 加 熱 さ れ た の だ ろ う か 。 4.宇 宙の 熱 史 ビ ッ グバ ソ宇 宙 論 に よ れ ば 、 宇 宙 の 時 刻 が30万 年 の こ ろ 温 度 は3000K以 ウ ム)は 素 とヘ リ 中 性 の 原 子 と な り輻 射 と の 相 互 作 用 が 切 れ た 。 この と き 自 由 に な っ た 輻 射 は 、 そ の後 断 熱 膨 張 を 続 け ≦現 在 「3K輻 [3]こ 下 と な り、 物 質(水 射 」 と 呼 ば れ る 宇 宙 背 景 輻 射(厳 の 輻 射 の 発 見(1965年)に して お り、 波 長 が1mか ら1mmく 密 に は 、2.74Kで あ る)と して 検 出 さ れ て い る。 よ っ て ビ ッ グ バ ソ宇 宙 論 が 確 立 した 。 この 輻 射 は 黒 体 ス ペ ク トル を ら い ま で の 電 波 で 観 測 で され る。(現 在 で は 、眼 で見 る ことが で き る。 テ レ ビ放 映 が終 わ っ た後 、 ブ ラ ウ ン管 を チ カ チ カ させ て い る雑 音 電 波 の 一 部 は宇 宙 背 景 輻 射 だ か ら。) 一 方 、 原 子 は 重 力 で 結 合 して 銀 河 と な っ た。 銀 河 に 成 りそ こね た ガ ス が 、 銀 河 間 ガ ス と して 宇 宙 空 間 に 漂 っ て い る。 も し、 銀 河 間 ガ ス も断 熱 膨 張 して ぎ た な ら 、 温 度 は1mKに る。 しか し、 観 測 さ れ て い る温 度 は3×1αKで ま で 下 が って い る は ず で あ あ る。 な ん らか の 物 理 作 用 で 銀 河 間 ガ ス が 加 熱 さ れ た の だ。 銀 河 が 生 まれ る 際 に は 巨 大 な 重 力 エ ネ ル ギ ー が 解 放 さ れ る か ら 、 そ の 際 に加 熱 さ れ た の だ ろ う と考 え る の が 最 も 素 直 な 解 釈 だ が 、 こ れ で は104K以 上 に は 加 熱 で き な い こ と が わ か っ て い る。 銀 河 に は 星 間 ガ ス が あ り、 これ が 紫 外 線 を 吸 収 して しま うの で 可 視 光 しか 外 に洩 れ 出 な い。 可 視 光 で は 、 銀 河 間 ガ ス の 温 度 が 上 が ら な い か ら で あ る。 そ こで 考 え う る 加 熱 源 は 、 銀 河 の 大 爆 発 の よ うな 運 動 エ ネ ル ギ ー の 放 出 か 、 紫 外 線 やX線 す る変 わ っ た 天 体 で あ る。 前 老 に つ い て は 、3K輻 が 存 在 す る と 、3K輻 らで あ る。 現 在 、3K輻 3K輻 射 の 光 子 とぶ つ か っ て(逆 を強 く放 射 射 が 強 い 制 限 を 与 え て し ま う。 高 エ ネ ル ギ ー の 電 子 コ ソ プ トソ散 乱)黒 体 ス ペ ク トル を 歪 ま せ て し ま うか 射 は 、10-5の 精 度 ま で 黒 体 分 布 で あ る こ と が 観 測 か ら抑 え ら れ て い る。[4] 射 を 歪 ませ ず に 銀 河 間 ガ ス だ け を 加 熱 す る に は 、物 質 の 運 動 エ ネ ル ギ ー で は 困 難 な の で あ る 。 結 局 、高 エネル ギ ーの輻 射 に頼 ら ざるを得 な い こ とにな る。 そ の 第1候 補 は ク エ ー サ ー で あ る。 ク エ ー サ ー は 、 中 心 に太 陽 の100万 倍 以 上 の 質 量 を 持 つ 巨 大 ブ ラ ッ ク ホ ー ル が 存 在 して い る銀 河 ら しき 天 体 で あ る。 不 思 議 な こ と に 、 ク エ ー サ ー は 宇 宙 の 若 い(20億 頃(従 年) っ て 、 遠 く)に 大 量 に 存 在 して い た が 、 近 傍 に は ま っ た く見 つ か っ て い な い 。 銀 河 の100倍 も の エ ネ ル ギ ー を紫 外 線 やX線 で 放 射 して い る が 、 そ の 大 き さ は 太 陽 系 く らい し か な い 。 こ の 奇 妙 な 天 体 で あ る ク エ ー サ ー こそ が 、銀 河 間 ガ ス を 加 熱 イ オ ン化 した に違 い な い 。 そ こで 、 クエ ー サ ー か ら の 紫 外 線 を 重 ね 合 わ せ て 紫 外 線 背 景 輻 射 量 を 計 算 し、 銀 河 間 ガ ス を イ オ ソ 化 して 必 要 なHelIを 作 り得 るか を 調 べ た 。 こ の 紫 外 線 は 、 他 の 証 拠 か ら 見 つ か っ て い る 銀 河 間 に 漂 う雲 や 若 い 銀 河 を も イ オ ン化 して い る と 考 え ら れ 、 そ れ ら の 観 測 結 果 と も整 合 しな け れ ば な らな い 。 実 は 現 在 の と こ ろ 、 ク エ ー サ ー か らの 重 ね 合 わ せ で は 、 全 体 を 無 矛 盾 に 説 明 し得 る 背 景 紫 外 線 輻 射 と な ら な い 。 観 測 結 果 の 解 釈 が 間 違 っ て い る の か 、 ま だ知 ら な い 物 理 過 程 が あ る の か 、 今 後 問 題 点 を 詰 め て ゆ か ね ば な ら な い が 、 宇 宙 論 が 、 意 外 に も観 測 の 制 約 が 多 い 実 証 科 学 に な っ て い る こ と が お わ か りだ と 思 う。 4 今後 、 大望遠 鏡 や専 用望 導鏡 を使 って の宇 宙 の詳 細観 測 が進 む だ ろ う。 それ に よ って、宇 宙 が ひ と続 き の 織 物 の よ う に 、 天 体 が互 し}に関 係 し合 って 複 雑 な現 象 を 呈 して い る こ.とが 明 ら か に され て ゆ く.だろ う。 参 考 文 献 [1]C.A.NomanandS.Ikeuchi TheGlobalMultiphaseStructureofInterstellarMedium AstrophysicalJournal345,372(1989). [2]P.Jacobsenetai DetectionofIntergalacticIonizedHeliumAbsorptionina.HighRedshiftQuasar Nature370,35(1994). [3]J.Malheretal APreliminaryMeasurementoftheCosmicMicrowave.BackgroundSpectrumbythe COBESatellite AstrophysicalJourhal354,L37(1990).. [4]G.Smootetal StructureintheCOBEDif色renti耳lMicrowaveRadiometerFirstYearMap AstrophysicalJournal396,L1(1992). 一5一
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