天文学入門講座 「宇宙論入門」 1. 宇宙観の変遷 2. 膨張する宇宙 3. 超新星と観測的宇宙論 ２００５年５月７日 天文学入門講座＠葛飾区郷土と天文の博物館 0. 最初に 【 天文学の発展とは何か 】 考える 見る 観測的事実をどう解釈するか？ この繰り返しで天文学は発展してきた！ １. 宇宙観の変遷 【 宇宙観の変遷 】 • 空に果てはあるのか？ • 昔の昔はどうなっているのか？ • 先の先はどうなっているのか？ “宇宙”はどうなっているのか？ コスモロジー(宇宙論) １. 宇宙観の変遷 【 観測の発展 】 肉眼 ・ 太陽、月 ・ 惑星 ・星 望遠鏡の応用 ・ 衛星 ・ 天の川 ・ 日周運動 ・ 年周運動 ・ 衛星の公転 ・ 星の集団 写真の応用 ・ 銀河 ・ 銀河宇宙 ・ 近くの宇宙 CCDの応用 ・ 遠くの宇宙 ・ 大規模構造 １. 宇宙観の変遷 【 古代の宇宙観 】 ・ 太陽/月の動き ・ 星の動き ・ 月の満ち欠け ・ 北極星の存在 ・ 彗星/流星/新星 これだけの観測事実から、形成されたのが古代の宇宙観 １. 宇宙観の変遷 【 古代の宇宙観 】 中国 天と海の間を太陽が行き来する インド ヘビ、カメ、ゾウの上に須弥山が乗っかってる エジプト 大気の神シューと女神ヌート、太陽神ラー １. 宇宙観の変遷 【 古代日本の宇宙観 】 天上界 ツツ 地上界 “ほしはすばる。ひこぼし。ゆふづつ。よばひぼし、すこしをかし。” 「枕草子」254段より １. 宇宙観の変遷 【 古代ギリシャの宇宙観 】 地球は宇宙の中心にあるに違いない プトレマイオス（１世紀） 「アルマゲスト」にて天動説を集大成 ↓ その後１０００年以上、宇宙観の基礎となる １. 宇宙観の変遷 【 宇宙観の大革命 】 地球が太陽の周りをまわってた方が 説明しやすいのでは？ コペルニクス（１５世紀） 「天体の回転について」にて地動説を提唱 ↓ 地球中心の宇宙観から太陽中心へ １. 宇宙観の変遷 【 観測の発展 】 肉眼 1608年 発明！ ・ 太陽、月 ・ 惑星 ・星 望遠鏡の応用 ・ 衛星 ・ 天の川 ・ 日周運動 ・ 年周運動 ・ 衛星の公転 ・ 星の集団 写真の応用 ・ 銀河 ・ 銀河宇宙 ・ 近くの宇宙 CCDの応用 ・ 遠くの宇宙 ・ 大規模構造 １. 宇宙観の変遷 【 望遠鏡の登場 】 ・ 太陽黒点の観測 ・ ガリレオ衛星の発見 ・ 太陽が自転している ・ 衛星が公転している １. 宇宙観の変遷 【 星界の理解 】 ガリレオ・ガリレイ（１6世紀） 「星界の報告」にて天の川の正体に言及 ↓ 天の川を“星”の集団として認知 １. 宇宙観の変遷 【 銀河系の認識 】 ウィリアム・ハーシェル（１８世紀） 天の川は銀河系の断面図である事を認知 １. 宇宙観の変遷 【 観測の発展 】 肉眼 ・ 太陽、月 ・ 惑星 ・星 望遠鏡の応用 ・ 衛星 ・ 天の川 ・ 日周運動 ・ 年周運動 ・ 衛星の公転 ・ 星の集団 1839年 発明！ 写真の応用 ・ 銀河 ・ 銀河宇宙 ・ 近くの宇宙 CCDの応用 ・ 遠くの宇宙 ・ 大規模構造 １. 宇宙観の変遷 【 銀河宇宙へ 】 写真の特徴：露光出来る ↓ 暗い天体が見えるように！ １. 宇宙観の変遷 【 銀河宇宙へ 】 シャプレーとカーチスの大論争 (1920/4/26) シャプレー “星雲は天の川よりもずっと小さな天体” カーチス “星雲は天の川と同じ種類の天体” ハッブルによるアンドロメダ星雲までの距離の測定で決着。 銀河とは・・・数百億～数千億の星の大集団 １. 宇宙観の変遷 【 おさらい 】 地球という星は、 宇宙の中心 ・無数にある銀河の中の、 ・2000億ある星の中の、 ・太陽系の惑星のひとつ にすぎない事がわかった。 宇宙の片田舎 １. 宇宙観の変遷 【 ここまでのまとめ 】 宇宙を構成するものの理解は進んだ ↓ 宇宙それ自体の理解は？ 宇宙 = 時間と空間 • 始まりも終わりもない時間 • 無限に広がる空間 定常宇宙論 ２. 膨張する宇宙 ２. 膨張する宇宙 【 定常宇宙論の落とし穴 】 無限に広がる宇宙？？ → 無限という考え方に既に矛盾が オルバースのパラドックス “なぜ夜空は無限に明るくないか？” 無限に広がる宇宙なら、無限に星があるはず 無限に星があるのなら、無限に夜空は明るいはず 実際には無限に明るくない・・・つまり、無限ではない ２. 膨張する宇宙 【 膨張する宇宙 】 エドウィン・ハッブル（２０世紀） ハッブルの法則を発見 （遠い銀河ほど早く遠ざかる） v = H0 r １. 膨張する宇宙 【 タケノコの成長 】 「遠い節ほど早く遠ざかる」 １. 膨張する宇宙 【 タケノコの成長 】 「遠い節ほど早く遠ざかる」 成 長 の 速 度 節までの距離 ２. 膨張する宇宙 【 宇宙も成長する 】 後 退 速 度 銀河までの距離 エドウィン・ハッブル（２０世紀） ハッブルの法則を発見 「遠い銀河ほど早く遠ざかる」 v = H0 r ２. 膨張する宇宙 【 膨張する宇宙 】 タケノコの成長と比較すると・・・ ・伸び始め ・急激な成長 ・枯れる ・土へ戻る 宇宙の場合はどうなる？ ２. 膨張する宇宙 【 宇宙の始まり 】 過去にさかのぼると・・・ 宇宙に始まりがあった！ 宇宙 ビッグバン宇宙論 ２. 膨張する宇宙 【 宇宙はどうなるか？ 】 宇宙の3通りの運命 • いつか収縮する宇宙 • いつか止まる宇宙 • 永遠に膨張する宇宙 過去を知る事が重要 ボールを投げ上げた時と比較できる ・ 重力にひかれて落ちてくる ・ たまたま釣り合ってそのまま浮かび続ける ・ 永遠に飛んでいく ２. 膨張する宇宙 【 過去の様子を知る 】 Aさん Bさん Cさん ← 過去 現在 ３人とも時速10kmで走っていたとしても・・・ → 距離がわかれば判定できる ２. 膨張する宇宙 【 過去の様子を知る 】 加速 一定 減速 ← 過去 距離 遠ざかる速度 現在 測定が難しい （比較的）簡単 ← 赤方偏移で測定する ２. 膨張する宇宙 【 距離を求める 】 明るさと距離には関係がある 加速膨張 一定膨張 減速膨張 標準光源があれば、距離は計算で求まる 明るさがわかれば、距離がわかり、宇宙の過去もわかる ２. 膨張する宇宙 【 標準光源を探せ 】 標準光源の条件は？ ・ とても明るい ・ 一定の明るさ ・ 光度進化がない 超新星 ・ 銀河と同じ程度の明るさ ・ ある種のものはどれもほぼ同じ明るさ ・ 過去も最近も同じ明るさ ２. 膨張する宇宙 【 ここまでのまとめ 】 • 宇宙は膨張している • 膨張の様子はよくわからない • 過去の様子を知る必要がある • 超新星が良いらしい ３. 超新星と観測的宇宙論 ３. 超新星と観測的宇宙論 【 超新星とはなんぞや 】 一生の最後で起こす大爆発 大別して２つタイプがある [重力崩壊型超新星] Ib型、Ic型、II型 重い星の最後の大爆発 中心核に外層が落ち込んで爆発 ・ すごい明るいものもある ・ 明るさが一定ではない ３. 超新星と観測的宇宙論 【 超新星とはなんぞや 】 一生の最後で起こす大爆発 大別して２つタイプがある [炭素核爆発型超新星]Ia型 白色矮星の爆発 星全体が爆発 ・ -19等程度（太陽の１千億 倍） ・ 明るさがどれもほぼ一定 ３. 超新星と観測的宇宙論 【 Ia型超新星 】 白色矮星 ・ 太陽程度の星のなれの果て ・ 電子の縮退圧で支えられている チャンドラセカール質量が上限 （太陽質量の1.37倍） →上限を超えると潰れて爆発する ３. 超新星と観測的宇宙論 【 Ia型超新星 】 白色矮星＋巨星 巨星からガスが降り積もる ↓ 限界を超えると爆発する Ia型超新星 爆発する時の質量が一緒 → 明るさが同程度になる ３. 超新星と観測的宇宙論 【 Ia型超新星を使う 】 標準光源としてのIa型超新星 ・ 非常に明るい ・ 明るさがほぼ一定 ・ 近くも遠くも変化なし（と期待できる） ・ とてもレアな現象（銀河系では400年間出現無し） ・ 本当の明るさがきっちりとは決められない この問題をクリアしないと使えない！ ３. 超新星と観測的宇宙論 【 Ia型超新星を探す 】 超新星の出現率・・・１個/１００年/１つの銀河 ＝１００個の銀河を探せば、１年間に１個は見つかる ＝365００個の銀河を探せば、１日に１個は見つかる 一気にたくさんの銀河を同時に撮像すれば見つかる ２. 膨張する宇宙 【 観測の発展 】 肉眼 ・ 太陽、月 ・ 惑星 ・星 望遠鏡の応用 ・ 衛星 ・ 天の川 写真の応用 1971年 発明！ CCDの応用 ・ 日周運動 ・ 年周運動 ・ 衛星の公転 ・ 星の集団 ・ 銀河 ・ 銀河宇宙 ・ 近くの宇宙 ・ 遠くの宇宙 ・ 大規模構造 ３. 超新星と観測的宇宙論 【すばる望遠鏡】 すばる観測所大プロジェクト ( 春 ) SDF ( 秋 ) SXDS 圧倒的に広い視野を狙う 広視野撮像カメラSuprime-cam 8000万画素、30分角の視野 大望遠鏡＋広視野撮像カメラ →遠方の銀河を幅広く撮像可能 ３. 超新星と観測的宇宙論 【SXDS】 くじら座の領域 約100万個の銀河 ↓ 一度の撮像で10個以上の 超新星を発見 ３. 超新星と観測的宇宙論 【 超新星の見つけ方 】 何晩かに分けて同じところを撮影する ３. 超新星と観測的宇宙論 【 超新星探査チーム 】 遠方の超新星探査を行う２大国際研究グループ ・ HZT (High-Z Team) ・ SCP (Supernova Cosmology Project) ・ 遠方の超新星を探し ・ 明るさを測定して ・ 宇宙膨張の様子を精査 ３. 超新星と観測的宇宙論 【 結果はいかに？ 】 宇宙は加速膨張している！！ 暗い 明るい 地球からの遠さ ３. 超新星と観測的宇宙論 【 加速する宇宙膨張 】 なぜ加速している？ → ダークエネルギーが原因 ３. 超新星と観測的宇宙論 【 これからの観測的宇宙論 】 たくさんの超新星を精度良く観測する時代に →ダークエネルギーの性質を探る SNAP衛星 SDSS望遠鏡 ３. 超新星と観測的宇宙論 【 まとめ 】 • 宇宙観はこれからも書き換えられる おつかれさまでした
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