宇宙物理学 I

宇宙物理学Ｉ
2008年度総研大講義
井岡邦仁
居室:研究本館202号室，内線:6216，メール:[email protected]
火曜日 9:00-11:00 (4月15,22,5月13,20,27,6月17,7月1,8,15,9月2,9)
6月3 (KEK夏期講習) 6月10,24 (出張) ⇒ 補講：未定 7/22?, 9/16?
ファイル: http://research.kek.jp/people/ioka/lecture/
講義計画
講義のねらい
宇宙の豊かな階層構造の基本構成要素である星の構造と進化について，
高エネルギー天体現象との関連も含めて解説する．
⇒ 大雑把な見積もり（オーダー評価）で全体像をつかむスキル
１．はじめに
２．星の進化
２．１．力学平衡
２．２．エネルギー輸送
２．３．熱核反応
２．４．主系列星
２．５．太陽ニュートリノ問題
２．６．主系列後の進化
２．７．白色矮星
２．８．中性子星
３．星の死
３．１．超新星爆発
３．２．ガンマ線バースト
４．高エネルギー天体現象
４．１．パルサー
４．２．降着円盤
４．３．宇宙ジェット
４．４．超新星残骸
５．宇宙の高エネルギー素粒子
５．１．高エネルギー宇宙線
５．２．高エネルギーガンマ線
５．３．高エネルギーニュートリノ
５．４．重力波
１．はじめに
宇宙の階層構造
人間，地球，太陽（星），太陽系，銀河，
銀河団，大規模構造，宇宙
⇒ 星が基本構成要素
人間，分子，原子，原子核，クオーク
膨張宇宙
昔は高エネルギー状態（素粒子との接点）
高エネルギー天体
星が進化しブラックホールや中性子星を作り
高エネルギー素粒子を生む（これも接点）
人間ー地球
月から見た満地球
by 月周回衛星かぐや（SELENE）
人間 ~100cm ~50kg
地球 ~6400km ~6×1024kg
月
~1700km ~7×1022kg
サイズは大きく異なる
密度は？
地球ー太陽
ひので衛星によるＸ線写真
太陽
半径 R◉~7×1010cm
質量 M◉~2×1033g
光度 L◉~4×1033erg/s
表面温度~6000K
中心温度~1.6×107K
年齢~46億年
距離⇒単位に
1AU~1.5×1013cm
地球をボールぐらいと
思うと，太陽は？
太陽系
水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星
冥王星（r<39AU）⇒準惑星（2006年8月）
太陽系外縁天体が多数存在．エリス＞冥王星
木星：直径~70000km，~2×1027kg （~全惑星質量），~5AU
太陽系外縁
小天体（氷の塊）の集団
太陽系外縁天体
（エッジワース・
カイパーベルト天体）
短周期彗星の巣
現在まで~千個発見
オールト雲は未発見
オールト（1950）が
長周期彗星の
巣として提案
Sednaはその候補かも？
NASAの Stardust 探査機が撮像した Wild - 2 彗星の核
ヨーロッパの探査機ジオットが撮像したハレー彗星の核
NASAの Deep Space 1 探査機が撮像した Borrely 彗星の核
NASAの Deep impact 探査機が撮像した Tempel-1 彗星の核
なぜ凸凹？
理科年表
隣の恒星
恒星＝自ら輝く星
最も近い恒星：
ケンタウルス座の
アルファ星
~4.3光年~1.4pc
pc
~3pc
1’’
Sun
AU
現在~msecが限界
⇒どれくらいの
距離まで年周視差
を用いて距離を
測れるか？
距離の測定は
天文学の大問題
~30pc
銀河アーム
銀河円盤の厚さ
~300-1000pc
アームは明るい星
の作るパターン．
質量の分布は
円盤状
（密度差は<5%）
~300pc
銀河
~1011M◉
~1000億個の星
（核子の~90%は
恒星内に存在）
(1) バルジ
(2) 円盤
(3) ハロー
~3kpc
回転速度
⇒ ダークマター
渦巻き銀河の模式図
球状星団 ~104-6M◉
古く重元素が少ない
（~1/100 Z◉）
種族ＩＩ(PopII)が多い
バルジ
種族ＩＩが多い
中心に巨大BH
ハロー
早期型
楕円銀河
晩期型
ディスク
ガス⇒星形成
重元素が多い
種族Ｉ(PopI)が多い
渦巻き銀河 Hubble系列
棒渦巻銀河
Kennicutt 06
衛星銀河
LMC
~1010M◉
距離~50kpc
SMC
~109M◉
距離~54kpc
~30kpc
局所銀河群
~300kpc
Andromeda galaxy
(最も近い銀河）
~3×1011M◉
距離~700kpc
結構スカスカ
銀河団
Virgo銀河団
~1500銀河
距離~20Mpc
まわりの銀河と
Virgo超銀河団
を形成
（Disk成分＋
Halo成分）
~3Mpc
大規模構造
~30Mpcの凸凹
(1) 超銀河団
(2) Filament, Wall
(3) ボイド
自己重力系
初期条件の
非一様性
~30Mpc
w/ spectrum
3D Sky Map (2 billion light yr~700Mpc)
Color: luminosity
66,976 out of 205,443 gal.
2D Sky Map
SDSS 2.5m telescope
Tegmark+
日本のすばる望遠鏡
~130億年前まで見れる
密
度
揺
ら
ぎ
Tegmark+
階層的構造形成
Springel+05
宇宙
一様等方（等方＋宇宙原理）
黒体放射
3K~3×10-4eV
1eV=1.6×10-12erg
⇒ ~1000光子/cm3
CMB
宇宙マイクロ波
背景放射の
温度揺らぎ
~10-4-10-5
平均2.725K
揺らぎ0.0002K
WMAP衛星(5yr)
Stefan-Boltzmann定数
銀河座標
北極
銀河北極
銀河中心方向
銀河中心
太陽系
南極
平面に射影
電磁波
宇宙膨張
Hubble則
⇐
後
退
速
度
Hubble, Proceedings of
the National Academy of
Sciences 15 (1929)
赤
方
偏
移
距離⇐Cepheid変光星の光度・周期関係
⇒ Big Bang
宇宙年齢は有限
~H0-1~137億年
これを1年と思うと我々はいつ生まれた？
ドップラー効果
v: 今はc
z: 赤方偏移
Cepheid変光星
周期光度関係
<MV> = -2.81 log P(day) - 1.43
適用範囲： 7Mpc (M101) on Ground; 25Mpc by HST
Cepheidは超巨星 ⇒ 遠方まで観測可能
Pop I 型星 ⇒ 楕円銀河（や球状星団）には含まれない
Hubble Key Project
Virgo cluster
Freedman+01
遠く＝昔
ダークエージ
?
Larson&Bromm(02)
Hubbleは1925年に
アンドロメダ銀河が
外銀河であることも
示した．
我々の銀河は宇宙
の一部にすぎず，
宇宙は想像以上に
大きい．
人類の世界観を変えた
宇宙の平均密度
宇宙のサイズ
~cH0-1~3Gpc
遠く＝昔（CMBは昔の光）
平均密度
本来，一般相対論が必要だが，
Newton重力
脱出速度の式
v=c, r=cH0-1
我々は異常に固まった状態！
大きな構造のまとめ
・我々は地球という惑星に住んでいる
・惑星が太陽の周りをまわって太陽系を作る
・太陽のような星が集まって銀河を作る
・銀河が集まって銀河団を作る
・銀河団が集まって大規模構造を作る
・宇宙は一様等方
・宇宙は膨張している
・宇宙はスカスカ＝我々は非常に濃縮されている
・星は基本構成要素
・その理解が他の理解に繋がる（例：宇宙膨張）
・なぜ~1M◉？なぜ~1R◉？なぜ6000K？
宇宙の階層構造
g/cm3
1020 クォーク
核子
中性子星
1010
100
・さまざまなスケール
→ オーダーで議論
・宇宙論的 ~1028cm
~100億年 (遠い=昔)
・中性子星 ~106cm
・重力が本質的
白色矮星
原子
太陽
人
太陽系
10-10
銀河
銀河団
10-20
10-30
宇宙
10-10
100
1010
1020
1030 cm
星の一生
中心で核融合
水素→ヘリウム→炭素→・・・→鉄
星の進化は主に質量で決まる
M<0.08M太陽水素が燃えない → 褐色矮星
0.08M太陽<M<0.45M太陽ヘリウムが燃えない
→ヘリウムの白色矮星
0.45M太陽<M<8M太陽炭素が燃えない
→ 炭素の白色矮星
8M太陽<M<13M太陽 Ne、Mgまで進む。電子捕獲後
超新星爆発して中性子星？
13M太陽<M 鉄まで進み重力崩壊。
外層が飛べば中性子星？
失敗すればブラックホール
宇宙の組成
宇宙のほとんどは水素とヘリウム
我々を作るCやOはCMBの頃ほぼゼロ
星が元素合成して超新星でばらまく
周期律表
超新星-ダークエネルギー
超新星を使った
Hubble図
⇒ Hの時間進化
⇒ 密度の進化
⇒ Dark Energy
の発見
光
度
距
離
Astier+06
赤方偏移
Radiation:
0.005%
Chemical Elements:
(other than H & He) 0.025%


Neutrinos:
0.17%

Stars:
0.8%
LCDM
H & He:
gas 4%
Cold Dark Matter:
(CDM) 25%
+ inflationary perturbations
+ baryo/lepto genesis
Dark Energy (L):
70%
Kolb 08
白色矮星の密度
白色矮星の半径~地球半径~太陽半径/100
太陽の密度 ~1g/cm3(角砂糖が1g)
白色矮星の密度 ~１トン/cm3(角砂糖が1t)
中性子星は？
小さい構造
~10-1eV~103K
~10eV~105K
~106eV~1010K
~108eV~1012K
以下
~1011eV~1015K
小さい＝高エネルギー
不確定性関係
⇒ 加速器
up to ~TeV (LHC)
電磁波
宇宙の歴史
Hubble膨張
⇒昔ほど高密度，
高温，高エネルギー
⇒力の統一
宇宙は膨張して
冷えていく
現在は冷え切った
宇宙？
背景放射
~MeV以上まで続く
Strong+04
LHC
Cosmic ray
E<1015-16eV (Knee)
F∝E-2.7
おそらく銀河の超新星残骸
LCR~1041erg/s~0.1ESN/tSN
直接証拠はない
1015-16<E<1018eV (Ankle)
~1eV/cm3
~(宇宙背景放射)
F∝E-3-3.2
銀河起源?
単純にはSNRでは<1014eV
1018eV<E
1 particle/km2/century
Bhattacharjee&Sigl(00)
F∝E-2.7
銀河系外
AGN? GRB??
何を意味するか？
黒体放射だとすると，密度が高いほど高温
⇒ 中性子星は最も高密度の天体
e<1054erg/(106cm)3 ⇒ T<10MeV
⇒ 何らかの非熱的過程が必要
Cosmic Jet
AGN（活動銀河核）
~106-9M☉BH
Microquasar
Pulsar
~10M☉BH
中性子星
物理機構は？ GRB
L~1051erg/s~1044W
E~1052erg, e~TeV
粒子加速
もの同士の衝突→衝撃波
粒
子
の
数
衝撃波統計加速（フェルミ加速）
LHCのように電場による加速ではない
統計的加速
→ べき乗スペクトル
熱的分布と異なる
エネルギー
高エネルギー宇宙物理
新しい天体の数が増え、新しい発見が続くだろう
Kifune plot
GLAST
HESS
MAGIC
CANG.III
VERITAS
UHECR,,GW?
多粒子多波長観測
GLAST
(2008)
50MeV300GeV
g線
HESS,MAGIC,VERITAS
CANG. TeV g線
LIGO,LCGT
重力波
AUGER
(2007)
UHECR
IceCube
TeV-EeV 
さまざまな
粒子による
観測が始ま
りつつある
背景ニュートリノ（想像）
Spiering
arXiv:0804.1500
全体像
ウロボロスの蛇
白色矮星
星
超新星爆発
中性子星
有機的に
繋がっている
ブラックホール
アウトフロー（ウインド，ジェット）
粒子加速
衝撃波
高原文郎：
宇宙物理学（朝倉書店）1999．
S. L. Shapiro and S. A. Teukolsky：
Black Holes, White Dwarfs and Neutron Stars (John Wiley and Sons) 1983．
G. B. Rybicki and A. P. Lightman：
Radiative Processes in Astrophysics (John Wiley and Sons) 1979．
小山勝二，嶺重慎編：
シリーズ現代の天文学８巻ブラックホールと高エネルギー現象（日本評論社）2007．
岡村定矩他編:
シリーズ現代の天文学１巻人類の住む宇宙（日本評論社）2007.
理科年表
J. Binney and M. Merrifield:
Galactic Astronomy (Princeton University Press) 1998.
佐藤文隆:
宇宙物理（岩波書店）1997.

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