激動の宇宙 -X線天文学入門- 第一日目 松本浩典 京都大学理学部物理第二教室宇宙線研究室 2003年8月18日 西大和学園第一日目 1 人間をX線で見ると... キン骨マンbyゆでたまご 2003年8月18日 全く違う世界が見えてきます 西大和学園第一日目 2 宇宙も全く違った姿を見せます かに星雲=中性子星のいる超新星残骸 普通の光 2003年8月18日 X線 西大和学園第一日目 3 銀河団:巨大な火の玉 普通の光 X線 銀河の集まり 数千万度の高温ガスの塊 2003年8月18日 4 西大和学園第一日目 注意:「ガス」とは単に「気体」という意味です。 話の内容 X線とは何でしょう?(予備知識解説) X線で見た宇宙 – ブラックホール:光の監獄 – 宇宙の化学進化:人間は星の子供 – ダークマター:宇宙の運命を握る見えない物体 2003年8月18日 西大和学園第一日目 5 講義にあたってのお願い 講義中不明な点は、話途中で も構わないので、いつでも遠 慮なく質問してください。 僕もみなさんがどんなことを不思議に 思うのか知りたいです。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 6 X線とはなんでしょう? X線といえば… レントゲン写真!! 体が透けて見える! ちなみにこれは、 X線を発見した レントゲンさんの 奥さんの写真です 結婚指輪 レントゲンさんは、1901年第1回目の ノーベル物理学賞を受賞しました。 7 2003年8月18日 西大和学園第一日目 X線は光の一種! 光とは電磁波と呼ばれる波動の一種です。 電場と磁場が 振動しながら 空間を伝わります。 では、目に見える光(可視光)とX線 は何が違うのでしょう? 2003年8月18日 西大和学園第一日目 8 X線は波長の短い光 光の種類 波長 普通の光=可視光 0.00005cm程度 X線 2003年8月18日 原子一個分 0.00000001cm程度 西大和学園第一日目 9 我々の目について どうして我々の目は可視光を捕らえるので しょうか? なぜX線や赤外線じゃないのでしょうか? 鍵は、太陽の「スペクトル」にあります。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 10 スペクトルについて スペクトル 色んな波長の光が、 どのくらいずつ混 ざっているか。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 11 我々の目=可視光専用カメラ ← 太陽スペクトル =どの波長をどれだけ出すか 沈む夕日。 光 の 量 可視光 赤外線 ←短い 波長 長い→ 太陽は可視光線をたくさん出すので、 12 2003年8月18日 西大和学園第一日目 我々の目はそれを受けられるように進化した 波長とエネルギーの関係 光のエネルギー(E)は、波長(L)に逆比例します。 E∝1/L 可視光:波長 L=5x10-7 mぐらい X線 :波長 L=10-10 mぐらい X線の波長は可視光の5000分の1ぐらい。 だからエネルギーは5000倍くらい。 それほどエネルギーが高いので、人体も 通過します。 西大和学園第一日目 13 2003年8月18日 波長と温度の関係 短 高 波長 長 エネルギー 低 色 ガスの炎(2000度) たばこの火(600度) 温度が高い物体ほど波長の短い光を出す。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 14 X線を出す物体の温度は? 温度はエネルギーの尺度のひとつです。 物体の温度(T)はその物体が出す光の波長(L) に逆比例。 T∝1/L 可視光を出す星: 太陽 6000度 X線の波長は可視光の5000分の1くらい。 だから、X線を出すには、温度は5000倍、 すなわち、5000 X 6000度 = 3000万 度!!! X線は数千万度以上の超高温物体から しか出ない! 西大和学園第一日目 15 2003年8月18日 X線を出す天体は存在するか? •太陽=宇宙の中では平均点の星(6000 度) •一番青い星(高温度)でも数万度 1960年代の普通の科学者 「宇宙にX線を出す星なんてあるわけないよ」 2003年8月18日 西大和学園第一日目 16 物理学者ブルーノ・ロッシ 「自然は人間よりもはるかに 想像力豊かである!」 1962年ロケットを打ち上げ、 初めて「X線星」を発見 ここ! (1905-1994) 2003年8月18日 西大和学園第一日目 17 この実験を一緒に行ったのが… リカルド・ジャコーニー (1931年~現在) X線天文を切り開いた業績で、 小柴昌俊(日本)、 レイモンドデービス(米国) と共に、 2002年ノーベル物理学賞受賞! (小柴、デービス両氏は ニュートリノ天文学の開拓) 2003年8月18日 西大和学園第一日目 18 一見不思議ですが… 可視光 X線 地球大気 X線は地球大気を貫通できません。 観測には人工衛星を使います 2003年8月18日 西大和学園第一日目 19 現在活躍中のX線天文衛星 アメリカ ヨーロッパ諸国連合 チャンドラX線衛星 XMMニュートン衛星 細かい構造まで 暗いものまで くっきり見える西大和学園第一日目はっきり見える 20 2003年8月18日 日本の衛星 日本は継続的に衛星を打ち上げ続け、 世界をリードしてきました。 一番最近の衛星:あすか(1993-2001) 世界初の高エネルギー X線写真撮影装置 などの特徴 2003年8月18日 西大和学園第一日目 21 日本次期X線天文衛星ASTRO-E2 日本は2005年に次の衛星を打ち上げる 計画です。 ASTRO-E2 世界一詳しいX線スペ クトルをとることが出 来る! 2003年8月18日 西大和学園第一日目 22 観測装置は手作り! どこにも売ってないから… 京都大学、大阪大学、 宇宙科学研究所 マサチューセッツ工科大学 共同でASTRO-E2搭載用 X線CCDカメラを 開発中です。 精密なスペクトルを取れる のが特徴 2003年8月18日 西大和学園第一日目 23 実験風景図 2003年8月18日 西大和学園第一日目 24 X線で観測する意義 •可視光=普通の宇宙の姿 •X線=エネルギーが高い! 発生場所のエネルギーも高い 何千万度の高温のような、 地上ではまずお目にかかれない世界、 宇宙の極限の姿を観測出来る! 2003年8月18日 西大和学園第一日目 25 ブラックホ-ルからのX線 ブラックホールとは? 広辞苑より 高密度で重力があまりに強いために物質も光 も放出できない天体。質量の大きな星が一生 の最後に自らの重力で崩壊することで生ずる。 そのものは観測できないが、周囲のガスが落 ち込むときに放出するX線によってその存在 がわかる。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 26 ブラックホール=光の監獄 物 体 2003年8月18日 重力弱 光 光 脱 出 脱 出 物 体 西大和学園第一日目 重力中 物 体 光 重力極大 =ブラックホール 27 脱出速度について ある星から脱出するにはどのくらいの速度 で飛び上がったらよいか? 質量M 速度v 質量m 星の半径 R 2003年8月18日 西大和学園第一日目 = 無限遠 飛び上がれる限界 28 万有引力 全ての質量をもつ物体は、お互いに引き 付けあっている。 質量M 質量m 距離R 力 F = GMm/R2 -11 N m2 /kg2 万有引力定数 G=6.67x10 2003年8月18日 西大和学園第一日目 29 エネルギー保存則を使います 速度v 質量m 重力加速度g 高さh 運動エネルギー = ½ mv2 位置エネルギー = mgh 合計 1/2 mv2+mgh は、 運動中常に一定 万有引力の時は、位置エネルギーとして、 mgh の変わりに、-GMm/r を使います。 G: 万有引力定数 2003年8月18日 西大和学園第一日目 30 運動エネルギー=1/2mv2 位置エネルギー=-GMm/R 質量M 運動エネルギー=0 位置エネルギー=-GMm/=0 速度v 質量m 星の半径 R 合計が保存するので、mv2/2 – GMm/R = 0 これを解いて、v=(2GM/R) 従って v = (2GM/R) 31 2003年8月18日 西大和学園第一日目 この速度以上で飛び立てば脱出できる。 地球の脱出速度 地球の場合、 質量M = 6x1024kg 半径R=6000km 脱出速度は v = (2GM/R)=11 km/s = 時速40000km 2003年8月18日 西大和学園第一日目 32 光速を超えることは不可能 どんな物体も光速を超えて動くことは不可能。 自然はそういうふうに出来ている。 アルバートアインシュタイン (1879 – 1955) が相対性理論を 作って、初めてこのことに気 が付いた。 その後、数限りない実験で この事は証明されている。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 33 脱出速度が光速だったら… 脱出速度: v = (2GM/R) が光速 c だったら、 c = (2GM/R) これを解いて、R=2GM/c2 もし質量Mの星の半径が、2GM/c2 より小 さかったら、脱出速度が光速以上になる ので、何物も星から脱出できない!光す ら出てこないので、黒く見えるはず。 こういう星をブラックホールといいます。 注意:本当はここの計算には相対性理論を用いなければいけません。 でも結果は同じです。 34 2003年8月18日 西大和学園第一日目 ブラックホールになるには R = 2GM/c2 : ブラックホール半径 •太陽の場合、 M = 2x1030 kg 従って R = 3000 m = 3km •地球の場合 M = 6x1024kg 従って R = 0.009m = 0.9cm もし太陽や地球がこのくらいの大きさまで 縮んだらブラックホールになります。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 35 なぜ X 線が出てくるのか どんなものも中から出てこられないのに、 なぜ ブラックホールはX線で光るので しょうか? 答:周囲の物質がブラックホールに落下 するときにX線を出すから。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 36 X線連星系 ブラックホール X線 伴星 2003年8月18日 落下する物質 西大和学園第一日目 37 ブラックホール近傍拡大図 X線 ブラックホール ほぼ光速で物質が落ち込む。やがて、自 分自身の摩擦で熱が発生し、数千万度以 上になってX線を出す。 38 2003年8月18日 西大和学園第一日目 どのくらいの温度になる? 落ち込む物質はほとんど水素。 運動エネルギー E = ½ mv2 = ½ mc2 = 7.7x10-11J ここで、m = 1.7x10-27 kg, c = 3x108 m/s エネルギーと温度の変換:E = kT ボルツマン定数 k = 1.4x10-23 J/度 kT = ½ mc2 従って、T = ½ mc2 / k = 5.5x1012度 = 5.5兆度! 現実世界はもっと複雑で、数千万度くらい。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 39 ブラックホールの種類 つい最近まで、ブラックホールには次の 二種類しかないと思われてきました。 小質量ブラックホール 太陽の10倍くらいの質量 大質量ブラックホール 太陽の百万倍から10億倍の質量 2003年8月18日 西大和学園第一日目 40 小質量ブラックホール 太陽の10倍くらいの質量のブラックホール X線写真 白鳥座X-1 もっとも有名な 小質量ブラック ホール 2003年8月18日 西大和学園第一日目 41 白鳥座X-1 想像図 太陽の15倍程度の質量 のブラックホール 太陽の33倍の質量の星 一番最初に発見されたブラックホール(候補)。 42 2003年8月18日 西大和学園第一日目 1971年、日本の小田稔博士による。 大質量ブラックホール ほとんどの銀河の中心にある、太陽の百万倍 以上もの質量を持つブラックホール M87銀河 X線写真 乙女座銀河団の ジェット 中心の巨大銀河 可視光写真 10光年 巨大ブラックホール 2003年8月18日 西大和学園第一日目 43 我々の住む天の川銀河にもいる! 天の川銀河を横から見た図 銀河中心X線写真 30光年 大質量ブラックホール 2003年8月18日 西大和学園第一日目 44 ブラックホール誕生の謎 •小質量ブラックホール(太陽の10倍) 星が寿命を終える時に起こす大爆発、 超新星爆発でできる。(アニメーション) •大質量ブラックホール(太陽の100万倍以上) どうやって出来るの?成長する? 中間の奴が 見つからない 2003年8月18日 西大和学園第一日目 45 中質量ブラックホールを発見 M82銀河 中間のサイズの ものがいた! 太陽質量の1万倍ぐらい ブラックホール の中質量ブラックホール は成長する! 2003年8月18日 西大和学園第一日目 46 ニューヨークタイムズ2000年9月13日 ちなみに… 手前味噌ですが….. 我々が中質量ブラックホールを 発見しました。 朝日新聞2000年9月13日 2003年8月18日 西大和学園第一日目 47 一日目のまとめ •X線は、可視光と同じ光の仲間。ただし、 波長が極めて短くエネルギーが高い。従っ て、X線で宇宙を見ると、高エネルギーの 世界ばかりが選択的に見える。 •ブラックホールでは、落ち込む物質が数 千万度の高温度になり、X線を出す。 2003年8月18日 西大和学園第一日目 48
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