2009.02.09-10 島根大学集中講義 1

第３講：

宇宙は何からできているか？

１．

宇宙で最も沢山ある粒子

２．

宇宙で２番目に多い粒子

３．

宇宙で１番多い物質

４．

宇宙で最も大量にあるエネルギー

2009.02.09-10 島根大学集中講義 2

１．

宇宙に一番沢山ある粒子

”光”

宇宙マイクロ波の宇宙論における役割

現代宇宙論の基礎

数学：

一般相対性理論

.(膨張宇宙は一般相対論の解：

観測で裏付け)

入力：

ホットビッグバン

2009.02.09-10 島根大学集中講義 3

宇宙の歴史

ビッグバン…

インフレーション

晴れ上がり(宇宙マイクロ波) 。

現在

。

クォーク・グルーオン

プラズマ

。

38

万年

3 分

10-37 秒

10 億年137 億年

10-5 秒10-10 秒

10-44 秒

2009.02.09-10 島根大学集中講義 4

熱いスープ

ホットビッグバン

宇宙スープのレシピ温度

3,000,000,000,000,000度で1秒間煮沸する

材 料56% クォーク16% グルーオン9% 電子・ミュー・タウ9% W と

Z

5% ニュートリノ2% フォトン2% グラヴィトン1% ヒッグスボソン秘密材料(特許)

暗黒物質暗黒エネルギー

2009.02.09-10 島根大学集中講義 5

一般相対性理論

出力

アインシュタインは宇宙論を宗 教 から科学に変えた

（神の方程式）1

2Rμν- - gμνR = 8πGTμν

入力(神の一撃)

ホットビッグバン

2009.02.09-10 島根大学集中講義 6

エドウィン・ハッブル(1889-1953)

遠い銀河ほど速く遠ざかる

赤方遷移

z

明る

さに

よる

距離

セファイド

.

1929

1998

超新星

.

赤方遷移

z

明る

さに

よる

距離

後退速度

膨張宇宙の発見(1929)

プレゼンタープレゼンテーションのノート恒星社：銀河と宇宙B.Schwarzshild, Phys. Today, June’98, p17

2009.02.09-10 島根大学集中講義 7

0 1秒 2秒-1秒

2m

1m2m

3m

4m 6m

宇宙の一様膨張：

あらゆる点が互いに遠ざかる

空間が膨張：

テントウムシは静止している。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 8

最初に距離 1Mpc離れていると、1秒後には1Mpc+72km、2秒後には1Mpc＋144km離れる

最初に距離 2Mpc離れていると、1秒後には2Mpc+144km、2秒後には2Mpc+288km離れる

宇宙の膨張ハッブルの法則：

V=H0

d H0

=ハッブル定数

.H0

=72 km/s/Mpc,

銀河の遠ざかる速度は銀河までの距離に比例する。

1Mpc=3.26

x106

光年

.

2009.02.09-10 島根大学集中講義 9

ハッブル定数が表す三つの重要な量

* 2

時間をさかのぼると、ある時刻で一点に収縮する。

.

宇宙の年齢≒1/H0

＝１３７億年

* 1

十分遠くへ行くと、速度は光速度を超える。

宇宙の果て≒ c/H0

＝１３７億光年

注：

*1,*2

は近似式

.

* 3

物質の重力を振り切って膨張を続けられるか？

2009.02.09-10 島根大学集中講義 10

脱出速度

地球からの脱出速度11.2km/sec

地球の質量に依存する

プレゼンタープレゼンテーションのノート脱出速度　Ｖ＝√（2GM/R）太陽の618km/secは太陽表面から42.2.km/secは地球から発射する場合の脱出速度

2009.02.09-10 島根大学集中講義 11

宇宙の脱出速度 (物質だけ考慮した場合)

宇宙の大きさ

時 間現在

ΩM > 1

ΩM = 1

ΩM

2009.02.09-10 島根大学集中講義 12

火の玉宇宙論提案者

αβγ 論文 (1948)

Phys. Rev. 73(1948), 803

ジョージ・ガモフ(1904-1968)

2009.02.09-10 島根大学集中講義 13

宇宙は熱かった

宇宙のあらゆる方向から来る 絶対温度2.7度の電波雑音

誕生後40万年の宇宙の姿1965

ペンジャス・ウィルソン宇宙マイクロ波の発見 (1965) ２0032003

WMAP (2003)

2003

10-5の精度

.

2009.02.09-10 島根大学集中講義 14

光光

宇宙マイクロ波は何時の時代の光？

温度温度：：

1010億Ｋ億Ｋ

30003000ＫＫ

2.725K2.725K

水素原子形成

晴れ上がり

ビッグバン.

元素合成

.

=陽子・電子と

ヘリウム原子核のプラズマ

宇宙は膨張: 低温に

透明な宇宙透明な宇宙不透明な宇宙

.137億年

2009.02.09-10 島根大学集中講義 15

宇宙構造の成長過程インフレーション

ビッグバン

晴れ上がり

現在の宇宙

時間

宇宙のしわが大きくなる

こうして現在の宇宙ができた。

.

.

2009.02.09-10 島根大学集中講義 17

The VIRGO project

約30万個の銀河地図3０億光年の彼方

１２億光年

.

シミュレーション

宇宙の大規模構造

SDSS

map

2009.02.09-10 島根大学集中講義 18

宇宙マイクロ波を量子力学に従い光の粒子・フォトンとして数えると

フォトン数＝400/cm3

星の光より圧倒的に多い

陽子・中性子・電子などの物質粒子の数は物質粒子数＝ 0.2/m3

光は宇宙に最も沢山ある粒子

2009.02.09-10 島根大学集中講義 19

２.

宇宙で２番目に沢山ある粒子

ニュートリノはそこら中にあるが、誰も気づかない

ニュートリノは電気的に中性で、貫通力が強い。

“電気力や強い力は働かないが、弱い力が働く粒子”

ニュートリノの役割は？

2009.02.09-10 島根大学集中講義 20

太陽ニュートリノは地球を突き抜ける (実は鉛10光年分の厚さも通り抜ける）

太陽ニュートリノを調べれば、太陽の内部構造が判る。

太陽

（地球に600億個/cm2秒）

地球

(１億個に1個地球に当る）ニュートリノが燃焼速度をコントロールするので、太陽は45億年間、静かに燃え続け、生物の誕生進化を促した。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 21

ニュートリノ望遠鏡岐阜県神岡鉱山にあるスーパーカミオカンデ

2009.02.09-10 島根大学集中講義 22

ニュートリノで星の内部が覗ける。 (星のX線写真)

2009.02.09-10 島根大学集中講義 23

太陽の8倍以上重い星の一生

爆発寸前の超新星

.

(赤色超巨星)(青色超巨星)

ニュートリノが水素燃焼速 度をコントロールするので

核反応はゆっくりと進行し、水素とヘリウム以外の元素が星の中で作られる。

鉄以上の重元素は、超新星爆発時に作られる。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 24

宇宙の元素組成水素とヘリウムで99.9%を占める。

ビッグバン時に、水素とヘリウムそしてわずかな重水素とリチウムが作られた。

残りの重元素は全て星の中と超新星爆発時に作られた。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 25

太陽の8倍以上重い星の一生

爆発寸前の超新星

.

(赤色超巨星)(青色超巨星)

太陽は50億年後に赤色巨星となり

.

外殻を吹き飛ばして惑星状星雲になる。芯は白色矮星になる。

太陽は45億歳、余命50億年

2009.02.09-10 島根大学集中講義 26

ニュートリノ爆弾超新星が爆発して、中性子星やブラックホールができる。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 27

超新星爆発

.

カミオカンデ

2002年ノーベル物理学賞

プレゼンタープレゼンテーションのノートニュートリノが何故光より速いのかという質問が何度かある。ニュートリノが光速より速く飛んでいるとの誤解もあるので、説明を丁寧にする必要あり。また、爆発後なぜ3時間後に光るかも要説明。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 28

星の一生とリサイクル

2009.02.09-10 島根大学集中講義 29

ニュートリノの役割ニュートリノを使えば、光や電波では見えない

星の深奥部を見ることが出来る。45億年昔、太陽の近傍で超新星爆発が起こり、その衝撃波

を受けて太陽系が誕生した。星の中の核融合をゆっくりと進行させ、種々の元素を合成す

る手助けをした。超新星爆発を起こし、元素を全宇宙に配給した。太陽の燃焼速度をコントロールして、常に代わらぬエネル

ギーを地球に与え続け、生命を発生進化させた。つまりわれわれはニュートリノのお陰で存在する。

これらは全てニュートリノが弱い力を持つことが原因

2009.02.09-10 島根大学集中講義 30

大気

太陽超新星 ビッグバン

原子炉 加速器

地殻 (ウラニウム等)

ニュートリノは何処にいるか？

宇宙線（陽子)

.

高エネルギー

.

シャワー

ビッグバンの化石ニュートリノは

.まだ検出されていない。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 31

ビッグバンからの宇宙(化石)ニュートリノは宇宙のマイクロ波放射と同様にしてできた。

ニュートリノ数＝330/cm3

(光は400/cm3)

光の次に沢山ある粒子。(通常粒子バリオンの100億倍)宇宙ニュートリノが検出できれば、ビッグバン直後１秒の宇宙の姿が判る。

(化石の光は３８万年後)

宇宙ニュートリノの検出方法はまだ判らない。

そこら中に充満しているのに見えない幽霊粒子無の粒子

2009.02.09-10 島根大学集中講義 32

３．

宇宙で一番多い物質

暗黒物質（物質としては最も大量にある）

2009.02.09-10 島根大学集中講義 33

現代天体物理のミステリー

暗黒物質の存在

暗黒物質とは正体不明の光らない物質

あちこちに塊となって存在するので、

重力効果で検知可能

１９３３年にツヴィッキーが指摘

(Fritz Zwicky、1898-1974)

プレゼンタープレゼンテーションのノート暗黒物質の存在証拠　銀河について：　回転曲線

銀河団について　　　　　　　（３以降はモデル最適化）１．M/Lの比(200±70)ｘ平均輝度２．M/B(～0.15)ｘ（宇宙論のＢ=0.045±0.0025）３．分布の時間経過（n(z=0) vs n(z～1））４．パワースペクトル５．重力レンズ効果６．CMBゆらぎの非等方性

2009.02.09-10 島根大学集中講義 34

宇宙の見える星の量宇宙の見える星の量

ハッブル望遠鏡で100億光年彼方の

深宇宙を覗く

ここに3000個の銀河

2009.02.09-10 島根大学集中講義 35

全宇宙では1000億個の銀河

それでも見える星の量は

臨界質量の～0.5%

約30万個の銀河地図

.3０億光年の彼方まで

SDSS

map

2009.02.09-10 島根大学集中講義 36

A B C

剛体回転（車輪タイプ）

ケプラー回転（惑星タイプ）

回転速度ＶA

BC

中心からの距離ｒ

ＶＶはは

ｒｒ

に比例に比例

A

B

C回転速度Ｖ

中心からの距離ｒ

A

BC

質量M

.

暗黒物質の存在証明

１.

渦巻き銀河の回転速度

2009.02.09-10 島根大学集中講義 37

観測

期待される渦巻き銀河の回転曲線の形

剛体回転 ケプラー回転

中心からの距離

暗黒物質速度

2009.02.09-10 島根大学集中講義 38

暗黒物質の証拠：例２ (超銀河団内銀河の乱雑運動)

かみのけ座銀河団

2.9億光年

2009.02.09-10 島根大学集中講義 39

暗黒物質の証拠：例３ (銀河団：

巨大Ｘ線源)

巨大銀河団MS1054-0321

プレゼンタープレゼンテーションのノート巨大銀河団MS1054-0321　８０億光年の彼方最も遠いＸ線銀河団であり、画像には数百個もの銀河が写っている。青色の分布はこの銀河団のＸ線の広がりを表す。銀河団間ガスは１億度以上の熱いプラズマとなっている。このようなガスを保持するには、見える質量の１０倍以上の質量を必要とする、

2009.02.09-10 島根大学集中講義 40

重力レンズ効果による像の歪み

大質量

2009.02.09-10 島根大学集中講義 41

遠くの光源

レンズ(銀河、銀河団)

光の経路

暗黒物質存在の証拠

例４

重力レンズ

2009.02.09-10 島根大学集中講義 42

アインシュタインリング観測例

2009.02.09-10 島根大学集中講義 43

ハッブル宇宙望遠鏡が発見した重力レンズ効果

2009.02.09-10 島根大学集中講義 44

2009.02.09-10 島根大学集中講義 45

結論：

宇宙の物質量は臨界質量の２８％

そのほとんどが暗黒物質通常物質（陽子・中性子など）は4%

暗黒物質は通常物質ではない

最有力候補は，素粒子統一理論で予言する

ニュートラリーノ

や

アクシオン

注：

ニュートリノは暗黒物質ではなかった。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 46

４．

宇宙で最も多いエネルギー形態

.

(暗黒エネルギー)

暗黒エネルギーはどうやって発見されたか？暗黒エネルギーの正体は何か？宇宙の終焉はどうなるか？

2009.02.09-10 島根大学集中講義 47

宇宙の運命は？

宇宙の大きさ

時 間現在

ΩM > 1

ΩM = 1

ΩM

2009.02.09-10 島根大学集中講義 48

過去

未来

宇宙の運命を知るために、過去の膨張速度を調べた。.方法：

遠方銀河の速度と距離を測定

速度：

ドップラー効果による光の赤方遷移距離：

標準光源の明るさを測定

現在

2009.02.09-10 島根大学集中講義 49

宇宙の運命を知るためには、（１）過去の膨張速度を調べる。.方法：

遠方銀河の速度と距離を測定

速度の測定：

ドップラー効果による光の赤方遷移

.（易しい測定。）

距離の測定：

標準光源の明るさを測定（結構難しい。）

（２）宇宙にある物質量を調べる。

方法：

星や銀河の数を数える。速度分布を測る。重力レンズを使う。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 50

絶対光度のわかっている光源があれば、 見かけの光度から距離がわかる。

見かけの明るさ

.

2009.02.09-10 島根大学集中講義 51

絶対光度が判っているので、標準光源として最適

.

Ia

型超新星

I,

II型：

水素がない（ある）。Ia

型：

Si

がある。

.

2009.02.09-10 島根大学集中講義 52

Ia

型超新星であることは、 スペクトル(色の分布)で判る。

.

2009.02.09-10 島根大学集中講義 53

Ia型超新星であることは、スペクトル型から判る。

輝度

Ia型の証明(珪素吸収線)

補正前

補正後

光度曲線

2009.02.09-10 島根大学集中講義 55

3週間前 現 在

引き算後超新星発見

地上観測写真

Supernova 1998baSupernova Cosmology Project

ハッブル望遠鏡写真

超新星の見つけ方

.

地上撮影より衛星撮影の方が鮮明

2009.02.09-10 島根大学集中講義 56

超新星は、赤方遷移ｚの関数として、近傍 (z

2009.02.09-10 島根大学集中講義 57

プレゼンタープレゼンテーションのノートExpansion is not slowing down at ALL - in fact it’s speeding up.Anti-gravity - cosmological constant??Something that causes repulsive gravity, unlike attractive matter. “Dark energy”

2009.02.09-10 島根大学集中講義 58

•重力は万有引力 通常物質は膨張を減速させる

加速度 = - G X｛Ｍ（質量）＋３Ｐ（圧力）}

加速宇宙は可能か？

ニュートン

. アインシュタイン

•負の圧力があれば加速に転じることは可能•真空のエネルギーは、正のエネルギー• かつ負の圧力を持つ• アインシュタインの宇宙項

（反重力の存在）

2009.02.09-10 島根大学集中講義 59

結論：

暗黒エネルギーが存在する

暗黒エネルギーとは、物質の形態をとらないで、一様に広がってい

る正体不明のエネルギーの総称(注：

暗黒物質はかたまりとして散在する)

暗黒エネルギーの候補：

宇宙項現代用語

宇宙項＝真空エネルギー

2009.02.09-10 島根大学集中講義 60

一般相対性理論は宇宙が膨張もしくは収縮 の途中であることを示す。

アインシュタインは宇宙を安定させるために、 斥力としての宇宙項を導入した。

1927年に宇宙の膨張が発見されると、わが生 涯最大の過ちであるといって、宇宙項を放棄

した。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 61

アイタ！２重のミスだわい

暗黒エネルギーの正体

？

2009.02.09-10 島根大学集中講義 62

宇宙項は、数学的には方程式に入れても良いが、アインシュタイ ンは入れる必要性を認めなかった。

現代用語では、真空エネルギーと言う。斥力であるから加速膨張をもたらす。

宇宙論研究者は、宇宙初期にインフレーション(急激加速膨張)が あったと信じている。

インフレーションを引き起こした真空エネルギーは、その後、熱化 して電磁波や物質となり、完全に消えたと思われていた。

明らかに、自然はごくわずかな真空エネルギーを残すことを選ん だのである。

宇宙項が復活した

2009.02.09-10 島根大学集中講義 63

インフレーション期の真空エネルギー密度～10

90gr/cm3

現在の真空エネルギー密度～10-29gr/cm3

どうやって、完全に消さずに、120桁もの小さい量を残せるの か？

科学史上最大の計算ミス？ 小数問題

どうして今になって現れたのか？ 偶然問題

宇宙論研究者は今、途方にくれている。21世紀物理の最大課題

2009.02.09-10 島根大学集中講義 64

これまでに述べた４つの主題は互いに関連している。

一般相対論の要請

Ωrad

＋ ΩΜ

＋ ΩΛ

＝1- ΩK

~

0 0.26 0.74 0

宇宙の曲率輻射密度

物質密度

真空エネルギー密度

=0： インフレーション~0：

三角測量測定

宇宙の全エネルギー密度は、臨界密度に等しい

偶然問題：

Ωrad

~D-4, ΩΜ

~D-3, ΩΛ

=定数

2009.02.09-10 島根大学集中講義 65

宇宙物質の組成

暗黒物質

.

2009.02.09-10 島根大学集中講義 66

宇宙の終焉は？

減速膨張 宇宙の果てはどんどん拡がる加速膨張 宇宙の果てはどんどん狭まる。

淋しい宇宙：

加速膨張宇宙では、遠くの銀河から消え去り、最後はアンドロメダ銀河以外の隣人は、皆居なくなる。

～1000億年悲しき宇宙：

その前に、天の川銀河はアンドロメダ銀河と衝突する。

～50億年人類の運命は？

太陽が赤色巨星となり地球を飲み込む。

～50億年

加速膨張：

Hは時間と共に大きくなる。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 67

まとめ宇宙で１番数の多い粒子はフォトンで、ビッグバン

の化石宇宙で２番目に多い粒子は、ニュートリノ。ニュートリノは星のサイクル、重元素合成に大きな

役割を果たす。暗黒物質は、宇宙で宇宙で最も多い物質形態。正体は不明。

暗黒エネルギーはエネルギー的には、宇宙で最大 量を誇り、加速膨張をもたらすが、正体は不明。

2009.02.09-10 島根大学集中講義 68

終わり

第３講

宇宙は何からできているか？

2009.02.09-10 島根大学集中講義 69

スライド番号 1スライド番号 2スライド番号 3ホットビッグバン一般相対性理論　スライド番号 6スライド番号 7スライド番号 8スライド番号 9スライド番号 10スライド番号 11スライド番号 12スライド番号 13スライド番号 14スライド番号 15宇宙の大規模構造スライド番号 18スライド番号 19太陽ニュートリノは地球を突き抜ける�　　　(実は鉛10光年分の厚さも通り抜ける）�太陽ニュートリノを調べれば、太陽の内部構造が判る。スライド番号 21スライド番号 22スライド番号 23スライド番号 24スライド番号 25スライド番号 26スライド番号 27スライド番号 28スライド番号 29スライド番号 30スライド番号 31スライド番号 32現代天体物理のミステリースライド番号 34スライド番号 35スライド番号 36スライド番号 37スライド番号 38暗黒物質の証拠：例３ �(銀河団：　巨大Ｘ線源)重力レンズ効果による像の歪みスライド番号 41アインシュタインリング観測例スライド番号 43スライド番号 44結論：　宇宙の物質量は臨界質量の２８％スライド番号 46スライド番号 47スライド番号 48スライド番号 49スライド番号 50スライド番号 51スライド番号 52スライド番号 53超新星の見つけ方　　.スライド番号 56スライド番号 57加速宇宙は可能か？結論：　暗黒エネルギーが存在するスライド番号 60スライド番号 61スライド番号 62スライド番号 63スライド番号 64宇宙物質の組成宇宙の終焉は？スライド番号 67終わりスライド番号 69