宇宙の階層構造

第１３回
銀河の形成と進化
東京大学教養学部前期課程
２０１３年冬学期宇宙科学II
松原英雄（ＪＡＸＡ宇宙研）
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宇宙は膨張している
• ハッブルの法則
• 距離：D
– 後退速度 : V
V ＝ H0×D
H0 : ハッブル定数
• 宇宙には始まりがあった
“ビッグバン”
2
Redshift due to Expansion
Colour
at rest-frame
Colour at 5billion
light years away
（UV）
Light from distant
objects on the Hubble
flow is redshifted as:
λ＝λ0（１＋ｚ）
ｚ：redshif t
（IR）
→ Gamma-ray photons
when the Universe is 0.4
millon years old is now
redshifted to millimeterwave (z~1000)
3
WMAP Observations of the CMB
WMAP
•Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe (2001 at L2)
•Probe the CMB fluctuation
Spectrum below the horizon
scale :
q ~ 900 - 0.2
(l=2-1000 @ Spherical
harmonics q=180o / l )
q ~ 70
q ~ 0.20
4
WMAP Observations of the CMB
Red - warm
Blue - cool
5
WMAP Observations of the CMB
fundemental
1st harmonic
6
What WMAP found?
The content of the Universe:
Baryon 4% + Cold Dark Matter (CDM) 20% +
Dark Energy 76%
From Detailed shapes and relative amplitude of fluctuation peaks
By considering Acoustic Oscillation in Baryon-photon fluid
The Hubble Constant : 73 km sec-1 Mpc-1
7
赤方偏移と宇宙年齢・ルックバックタイム
の関係
8
宇宙の階層構造
階層
質量
(M◎ )
大きさ
密度
( g/cm3 )
星
~１
~ 106km
1
銀河
~ 1011
~ １０kpc
~10-25
銀河団
~1013~14
~ 5Mpc
~10-28
超銀河団
~1015~16
~100Mpc
~10-30
宇宙全体
~1021~23
~3000Mpc
~10-30
9
重力を支配するダークマター
• 光を出さない。しかし万有引力は持っている。
• 正体は未だ不明。
• 銀河の回転運動を調べていくと、“何かがあ
る”ことは間違いない。
• 大きなスケールになるほど顕著：
– 太陽の近く：光っている物質の2－3倍
– 我々の銀河系（銀河中心～太陽系まで）：10倍
– 銀河団：３０－１００倍
（その一部はX線で光るホットガス）
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宇宙の構造形成の歴史
（現在の標準的な考え方だと）
• 宇宙誕生から１－２億年：
– 1億～10億太陽質量のダークマターの固まり
（矮小銀河クラス）が出現。
• 宇宙誕生から５－１０億年：
– 千億～一兆太陽質量のダークマターの固ま
り（普通の銀河）が出現
• 宇宙誕生から10－30億年：
– 銀河団規模の固まりがようやく出現
11
Large-scale Structure Formation (CDM)
12
© Moore et al. (1999, private communication with T. Kodama)
ダークマターハローの質量関数
13
銀河はどうやってできたのか？
（現在の標準的な考え方）
星が爆発的に
誕生している
赤外線で輝く銀河
大変小さな
赤ちゃん銀河
銀河の
衝突・合体
「銀河風」により星の母
胎である星間雲が吹き
飛んでしまうと…
星々が年老い
て楕円銀河に
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生まれたての銀河はみつかったか？（１）
• ライマンα輝線銀河
– 水素原子（宇宙で最も多い
元素）の数多いスペクトル
線の中で最も基本的なライ
マンα（波長121.566nm）輝
線を頼りに地上大望遠鏡に
よる「広くかつ深い探査」で
発見。
– 約百億年前の宇宙で大規
模構造が見つかっている！
25” = 190 kpc
SSA22 “Blob1” (Steidel et al. 2000)
15
のすばる画像 (Matsuda et al.
2004)
生まれたての銀河はみつかったか？（２）
• サブミリ波銀河
• 波長800ミクロン～１ミリで、専用の地上望遠鏡を用
いて探査することで発見。２００９年に打ちあげられ
たハーシェル宇宙天文台で数全個に。
• 小さな原始銀河が衝突・合体していく過程で、星形
成が活発に起こる。そして生まれたばかりの星はと
ても明るい。
• するとそれによって星間物質中の塵が暖められ、赤
外線を強く放射する。
• サブミリ波では、この塵からの赤外線が赤方偏移（ｚ
＝２～３）したものを捉えているのである。
16
星形成が活発な銀河は
「高光度赤外線銀河」
チリがなかったと
したらこのくらい
明るい（星の光）
あたたかい
チリからの
赤外線
銀
河
の
明
る
さ
星の光は、チリ
に吸収されて、
くらくなってしま
う
０．１
１
１０
波長〔ミクロン〕
１００
17
Herschel launched !!!
14 May 2009
18
Credit: ESA
第１３回の問題
問13. 物質優勢、宇宙項ありの場合、現在の宇宙で
m0  0 = 1  kc2 / a02 H02
(13.13)
である。ここで m0 、 0 はそれぞれ
m0  m0 (8G / 3H02 ), m = m0 (H02 / H 2 )(1  z)3 (13.11)
0  c2 / 3H02
(1) 過去の宇宙（赤方偏移 z ）で

(13.12)

H 2 = H02 m0 (1  z)3  0  (m0  0 1)(1  z)2 (13.14)
となることを示せ。
(2) 現在の宇宙では（WMAP衛星の計測により）
m0 = 0.24, 0 = 0.76, H0 = 73km s 1 / Mpc
(13.16)
と、宇宙項（ダークエネルギー）が宇宙膨張を支配している。ところが
(13.11)で表わされるように、過去の宇宙では物質のエネルギーが重要
になる。宇宙項の寄与と物質の寄与が同じになる赤方偏移 z を求めよ。
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