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素粒子宇宙天文

原子核

元素の起源と宇宙・銀河の進化梶野敏貴 （国立天文台・理論

東大大学院・理・天文学専攻）

kajino@nao.ac.jp http://th.nao.ac.jp/~Gkajino/

目標：

素核宇３分野で共通にアタックできるグランドチャレンジは何か?

他分野に譲れない核物理の貢献は何か？

（１）宇宙論、素粒子・原子核物理、量子統計物理の基礎（２）初期宇宙の進化とビッグバン元素合成（３）銀河の進化（４）超新星爆発とニュートリノ（５）暗黒物質・暗黒エネルギーの起源と宇宙論モデル

+++ 232Th (14.05Gy)

238U (4.47 Gy)

Actinide

P

太陽系組成（安定核）

STARS

COSMIC-RAYS

AGB STARS S-PROCESS

RR

RS（N=82)

S（N=50)

S（N=126)

BIG-BANG !

SUPERNOVA-γ PROCESS ?

SUPERNOVAE ?R-PROCESS

５～１０年の核物理の発展と成熟

元素合成の起源天体の解明

元素量の消長に見る宇宙の進化像

爆発的元素合成（不安定核）

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量子ビームでさぐる元素の起源と宇宙進化

新たな量子ビーム Ｘ 精密核物理かつ総合科学の時代

短寿命核 （ハドロン）、光子 （フォトン）、ニュートリノ・電子（レプトン）

新たな量子ビームを用いた精密核物理により、「爆発的な天体に起源を持つ元素と宇宙・銀河の進化」 に関する知見を未知の領域に推し進める時代。

初代天体 超新星

ガンマ線バースト

原始中性子星ビッグバン

INFLATION(Grav. Wave, yet to wait)

Type Ia SNe, Matter Power

10-43 sec 3 min 105 y 1-10 Gy

CMB Anisotropies

Matter-Dom. Era

Radiation-Dom. Era

QCD phase transition

DifferentCosmological

Models

Big-Bang Nucleosynthesis

]

- What is ΩCDM = ?

- Cosmological const. istoo small and fine tuned !

ΩΛ = ?

Observed Expansing Universe

ν-dec, e+e--annihilation

Golden Age of CosmologyObservational Signatures

at differentcosmic epochs !

COBE (1992), WMAP (2003, 2006)

Universe is flat & accelerating ! ΩB + ΩCDM + ΩΛ = 1

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Elem. Particle(Quark)

Nucleus(Element)

Atom

Cell

Nail

Human

City

LandEarth

Stars & Galaxy

Large ScaleStructure

Energy density (Temperature) of the Universe fluctuates.

Horizon = Early Universe

Inside the Proton = Microscopic Quantum World

Energy density fluctuates in Quantum Mechanically.

Similarity betweenthe Quantum-World

and the Universe

DNA

Baby Big-Bang Universe expanded, and

quantum fluctuation grew!

宇宙の光（宇宙背景放射）の温度

エネルギー密度のゆらぎ

＋

膨張宇宙

誕生間もない小宇宙では、エネルギー密度が

量子的にゆらいでいた。この量子ゆらぎが、

宇宙膨張とともに引き伸ばされたのではないか？

証拠：クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）相としての対称性の検証

陽子内部とビッグバン初期宇宙の真空構造

クォークの漸近的自由性 （クォーク非閉じ込め）

カイラル対称性の回復 （質量の起源）

current クォーク ＋ sea クォークによる構造関数QGP相のエネルギー密度ゆらぎ （E=mc2）

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宇宙

時間・空間、天体

宇宙の進化

膨張宇宙・活動天体の時空構造を直接観測し研究する。

素粒子・原子核の性質や物理状態

を精密に研究する。

物質の起源

素粒子、原子核

物質

＝

＝

宇宙進化と構造形成

宇宙の進化 vs. 物質の起源

SCIENTIFIC GOAL OF THIS LECTURE is to elucidate the tight coupling between the frontline

of cosmology and nuclear astrophysics.

Big-Bang Nucleosynthesis1948

Einstein Cosmology 1915

Albert Einstein George Gamow

5

第１回標準膨張宇宙論

一様等方宇宙でのアインシュタイン方程式

宇宙膨張と因果の地平線とインフレーション仮説

宇宙年齢問題

膨張宇宙の幾何学と宇宙論パラメータ（ΩΛ, ΩDM）

東工大・大学院理工学研究科・基礎物理学専攻２００７年度、基礎物理学特別講義２３

6

Standard Big-Bang Cosmology

2dF Quasar (Matter) Distribution:Homogeneous

Sky Maps of CMB;Isotropic

T = 2.728 K

δT < 18 µK

The Universe is homogeneous and isotropic in a large enough scale.

Newtonian Equation

Birkoff’s Theorem:Gravity due to mass interior to an arbitrary sphere.

m 12

mÝ r 2 =Gm[(4 / 3)πρr 3]

r+ E

Ý r r

⎛ ⎝

⎞ ⎠

2

=83

πGρ +E

mr2

M

M = 4/3πρr3

r(t)E =

12

mÝ r 2 −GmM

r

x 1/2mr2

2

mv2

v

mv2

Homogeneous & Isotropic

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[１] 一様等方宇宙でのアインシュタイン方程式

0 NOW

t0 = tU

opencritical

closed

8

General Relativity (1) Weak Gravity (should includeNewtonian Gravity),

(2) Covariance

Rµν = Rλµλν = ∂λΓµν

λ − ∂ν Γµλλ + Γηλ

λ Γµνη − Γην

λ Γµλη

Γµνλ =

12

gλβ ∂ν gβµ + ∂µgβν − ∂βgµν

gµν =

−1a2(t)

1−kr2

a2(t)r2

a2(t)r2sin2θ

⎡

⎣

⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥⎥

G µν = Rµν −12

Rgµν = 8π GT µν + Λgµν

T µν =

−ρp

pp

⎡

⎣

⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢

⎤

⎦

⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥

Friedmann Eq. Cosmological Constant

H 2 =83

πGρ +ka2 +

Λ3

H 2 = H 02 Ωγ

a4 +ΩM

a3 +Ωk

a2 + ΩΛ

⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

G 00 = 8π GT 00 + Λg00

Einstein Equation Newtonian Equation

Ωα = ρα/ρC ρC = 3H02/8πG

a = r = scale factor

0.3 0.7

Ý r r

⎛ ⎝

⎞ ⎠

2

=83

πGρ +E

mr2

H = v/r ーk = E/m

ΩCDM /2＜ΩΛ

acceleration !

Deceleration parameter

q0 = ー (d2r/dt2)/rH2 = [ΩCDM /2ーΩΛ ]

v

Ω 1 at t = t0, a0 = 1

Hubble parameter

ー

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Satellite -MARGINAL ・ Ω = 1・ E = 0 ( v = vesc)

Explorer - OPEN・ Ω < 1・ E > 0 ( v > vesc)

k < 0

Missile - CLOSED・ Ω > 1・ E < 0 ( v < vesc) k > 0

Newtonian Orbits: OPEN or CLOSED ?

Escaping Velocity

vesc = 11.2 km/s

k = 0

Cosmic Expansion

ΩCDM ΩΛ

deceleratingCRITICAL

CLOSED

OPEN

Dark Matter + Dark EnergyAffect the expansion of the Universe.

Flat, butExpand faster!

Flat !

acce

lera

ting

NOW

Observable Signature No. 1History of Hot Big-Bang Expansion

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アインシュタイン方程式を一様等方宇宙（Robertson-Walker metric）で解く

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Friedmann Equation

H 2 =83

πGρ +ka2 +

Λ3

H 2 = H 02 Ωγ

a4 +ΩM

a3 +Ωk

a2 + ΩΛ

⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

G 00 = 8π GT 00 + Λg00Space-space component

Radiation a -4

Matter a-3Λ

Cosmic Expansion HistoryΩα = ρα/ρC, ρC = 3H0

2/8πGR(t) = a(t) : scale factor

Ene

rgy

Den

sity

log

ρ

Cosmic time t

Photon Last Scattering

Now

Inflationary Scenario

Hubble (Causal) Horizon

[2] インフレーション仮説： 膨張宇宙と因果の地平線

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c = velocity of light is constant in any time t& any scale factor R(t).

R(t) = SCALE FACTOR

Physical Distance Comoving Coordinate

Causal Horizon

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Metric Expansion

R(t) ~ exp(αt) (Inf.)~ t1/2 (RD)~ t2/3 (MD)

Energy Density

ρ(t) ~ const. (Inf.)~ T4 (RD)~ T3 (MD)

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スケール膨張する宇宙の中で、宇宙の地平線（因果の果て）は光速度で広がる。

宇宙の地平線を越えた空間にも場は存在する。

Good bye (Inflation) Hello (RD/MD) - SCENARIO

DIS-CONNEXTED HORIZON-in

Quantum FluctuationCausally Connected HORIZON PROBLEM, SOLVED !

Exponential Expansion of CURVED-SPACE

FLATNESS PROBLEM,SOLVED !

1 = ΩM + ΩΛ

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COSMIC EXPANSION AGE :

[3] 宇宙の年齢

RED-SHIFT Z :

MATTER DOMINATED EPOCH :

1 = Ωγ /a4 + Ωk /a3 + ΩM /a + ΩΛ

～ Ωk /a3 + ΩM /a + ΩΛ

z

ΩM ΩΛ

The COSMIC (UNIVERSE) AGE could NOT be SHORTER thanthe GALACTIC AGE!

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宇宙年齢への観測的制限

AGE of GLOBULAR CLUSTER

17

Galactic AGE > Globular Cluster AGE

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Dark Energy (Cosmological const.) can make the COSMIC AGE LONGER!

13.7 Gyr (WMAP-CMB)

アインシュタインは間違っていたか？寡黙な少年 １９０５年、２６歳で １９１５年、３６歳で

知恵遅れ？ 特殊相対論を提唱 一般相対論を提唱

宇宙項を考えたのは一生の不覚！ いいや、宇宙項は正しいかも！？

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膨張宇宙の幾何学と宇宙論パラメータΩΛ, ΩDM

どんな観測事実が暗黒エネルギー（ΩΛ）と

暗黒物質（ΩDM）の存在を示しているか？

宇宙は加速膨張している証拠が見つかる！

重力に逆らって急膨張させる「暗黒エネルギー」が必要。

「アインシュタインの宇宙項」＝

銀河には「暗黒の物質」が存在（回転曲線）。

重力は引力のみ。

膨張する宇宙はいつかは静止する！？

正体は不明！

宇宙は永遠に膨張するのか否か？

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Today:Ωtot =1.02±0.02

At t = 1 sec:Ωtot(nucleosynthesis) =1.0000000000000001

Type Ia Supernova Redshift-Magnitude Relation

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WMAP determined all cosmological parameters?

Latest CMB ResultsSpergel et al. 2003, ApJS, 148, 175.

Only 4.4% baryons are known.

What is Ωm or ΩΛ ?

Model dependent !

t0 = 13.7 +/- 0.2 Gyr

Fluctuations of Cosmic Microwave Background Anisotropies

Planck: T = 2.7 K

A. Penzias & R. Wilson discovered CBR

in 1965.

R. Wilson A. Penzias

CBR is a direct evidence of Hot Big-Bang!

J. Smoot & R. Mathardiscovered CMB Anisotropies

in 1992.

J. Smoot

T = 2.728 K δT/T = of oder 10-5

CMB Anisotropies opensa door for Physical Cosmology!

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CosmicMicrowave Background

Anisotropies

WMAP-3

l = 4

l = 2

δTT

=l

∑ almm∑ Ylm (θ,φ)

Cl ≡ alm2

Temperature Fluctuations, expandedin terms of spherical harmonics:

C =＜δT/T(n)・δT/T(n+θ)＞

Two-point (direction) CorrelationFunction:

Larger ΩΛ

Multipole l

Angle (deg) smaller

Baryon Mass ΩB Photon Pressure

Cosmological Parameter Dependence

TγDark Matter potential ΩCDM

CMBAnisotropies

Larger ΩB

Larger ΩCDM

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45

Sachs-Wolfe Effect & ν-Free Ftreaming Effect

Acoustic Oscillation

Dodelson et al. ,1996, ApJ, 467, 10)

Massive ν

CDM

-

Finite mass of neutrinos make the decay of curvature Φ rapidly.

0 1000 2000

Ψ

Larger ΩΛ

Universal expansionbecomes faster !

Physical fluctuation lngth scale λ ∼ k-1

looks smaller in angular scale θ ∼ l-1for observer !

ΩΛ = 0

ΩΛ = 0.7

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Almost ALL luminous stars

MACHO = massive astronomicalCompact halo objects

MACHO

MASS of the GALAXY

Galaxy= 1011 stars

MASS of the CLUSTER ?

CLUSTER= 10 ~ 1000 galaxies

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Hot X-Ray Gas

Asymptotic Value= Universal Gas Fraction

fU = Ωb/ΩM h503/2

Ωb h1002 ~ 0.04 (WMAP)

ΩM ~ 0.35 h100-1/2

MASS of the Rich Clusters andLarge Scale Structure

Asymptotic Valuerepresents Universal Mass

ΩM ~ 0.3

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HOW MASSIVE IS THE UNIVERSE?

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宇宙というパイの作り方宇宙というパイの作り方

未知の暗黒エネルギー（宇宙項）

普通の物質

未知の暗黒物質

宇宙の質量・エネルギーは

何が担っているのか？

暗黒物質？

暗黒エネルギー（宇宙項）？

普通の物質はたったの４％！

未知の暗黒エネルギーと暗黒物質で満ちた

宇宙に生きることは、得体の知れない素材

でできたパイを食べるようなもの。

「暗黒の謎」を解きたい