宇宙科学I (文科生)
宇宙の創世
土井靖生
2020/1/10
アインシュタイン方程式 一般相対性理論 (Einstein 1915)
\[\begin{align} G_{\mu\nu} &= \frac{8\pi G}{c^4}T_{\mu\nu} \\ 空間の曲率 &= エネルギー分布 \end{align}\](\(E=mc^2\)より、物質とエネルギーは等価であることに注意。)
重力で引き合い宇宙は潰れてしまい安定に存在出来ない。
膨張する宇宙の予言 (Friedmann他 1922)
- 宇宙空間が膨張・収縮を続けると考える
- 宇宙の物質総量(と最初の膨張速度)で宇宙の運命が決まる
- 宇宙は永遠ではない
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/1270px-Friedmann_universes.svg.png)
ハッブルによる銀河後退の観測 (Hubble 1929)
横軸はセファイドから求めた距離: \(10^6\), \(2\times 10^6\) pc \(= 326万,~652万光年\)
このグラフの傾き:「ハッブル定数」\(\left( \mathrm{km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}} \right)\)
宇宙の膨張による銀河の後退
- 静止宇宙 vs. 膨張宇宙 \(\to\) 膨張宇宙論の確立
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/universe_Expanion-600x590.jpg)
宇宙膨張の発見者(続)
- 1931年に英王立天文学会月報 (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) の招きで論文の英訳を発表
- 宇宙膨張に関する個所が何故か削除される
- 削除はルメートル自身の希望だったことが確認される
(Livio 2011, Nature, 479, 171–173)
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/lemaitre5.png)
ハッブル定数の最新値
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/h0_1d_history_2048.png)
\(\alpha-\beta-\gamma\)理論 (Gamow他 1948)
陽子–中性子比の正確な計算 (林 1950)
- 宇宙年齢\(< 1\)秒
- 温度は\(T\gg 10^{10}\ \mathrm{[K]}\)
- 中性子と陽子は互いにバランス(右の林論文の式)
- n/p比は\(\sim 1\)
- 宇宙年齢\(\simeq 1\)秒
- \(T\simeq 10^{10}\ \mathrm{[K]}\)
- \(\frac{n}{p} \simeq \frac{1}{6}\)となる
- 宇宙年齢\(\simeq 100\)秒
- \(T\sim 10^{9}\ \mathrm{[K]}\)
- 中性子は崩壊し\(\frac{n}{p} \simeq \frac{1}{7}\)に
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/hayashi-pn.png)
定常宇宙論 (Hoyle他 1930–1965)
- 宇宙膨張の発見により「静止宇宙論」は衰退
- 「無」から定常的な物質の湧き出しにより「膨張はするが密度は一定(定常)」とする「定常宇宙論」が提唱される
- Fred Hoyle が急先鋒
- 火の玉宇宙論を“Big Bang theory”と揶揄する (BBC radio ,Third Programme, broadcast on 28 March 1949) \(\to\) Gamow に気に入られ採用
- 水素、ヘリウム以外の重元素が出来ないことを批判、トリプル\(\alpha\)反応の存在を予測 \(\to\) Fowler により存在が確認される
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/fred_hoyle_large.jpg)
宇宙背景放射の発見 (Penzias & Wilson 1965)
- ベル研の研究者
- 目的は「アンテナの高性能化」
- 原因不明の信号を発見(1964年5月20日が初検出)
\(\to\) ビッグバンの痕跡「宇宙背景放射」
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/16315677368_a4a274e564_o.jpg)
A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s.
Penzias & Wilson 1965, ApJ, 142, 419
直前に載っているのは“Cosmic Black-Body Radiation.”(Dicke, Peebles, Roll, & Wilkinson 1965, ApJ, 142, 414)
各周波数で見た宇宙
- ここから太陽系内や銀河系内の天体の出す輻射を取り除いたものが「宇宙背景放射」
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/aa27101-15-fig7.jpg)
宇宙背景放射のスペクトル
- 観測されるスペクトルは“ほぼ完璧”な黒体輻射
- 温度2.725K
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/cobeslide36.jpg)
宇宙背景放射の揺らぎ
- 背景放射は「ほぼ」一様分布
(宇宙のどの方向も同じに見える) - 晴れ上がり時点の密度分布が
「ほぼ」一様だったことを示す - このままでは銀河が出来ない
- 場所ごとに密度の違い(揺らぎ)が
いくらかはあったはず
- 場所ごとに密度の違い(揺らぎ)が
- 晴れ上がり時点で密度揺らぎがあれば、
背景放射の温度の揺らぎとして見えるはず - COBE衛星により初検出(1992)
- Smoot & Mather 2006年ノーベル賞受賞
観測された揺らぎ
加速膨張の発見
- Ia型超新星が予想よりも暗く見える
- 星間塵による吸収では説明出来ない
- 遠くの超新星は逆に明るく見える
- アインシュタインの「宇宙項」の復活！？
空間の揺らぎ
バリオン音響振動の伝搬
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/BAO_fig1.jpg)
銀河の二体相関関数
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/fg2_online.h.jpg)
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/stu523fig10.png)
宇宙背景放射の揺らぎスペクトル
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/Planck2018BAO.png)
スペクトルと宇宙の構成の関係
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/aa40_0171_4.jpeg)
宇宙の質量-エネルギー構成比
宇宙の年齢
\(137.87 \pm 0.20\) 億年 (Planck Collaboration et al. 2018)
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/t0_1d_history_2048.png)
宇宙の平坦性問題
- 宇宙の密度が少しだけ小さい\(\to\)膨張が早すぎて原子同士が結合できない(「開いた宇宙」)
- 宇宙の密度が少しだけ大きい\(\to\)宇宙がすぐに収縮に転じてしまう(「閉じた宇宙」)
- 宇宙が「平坦」であるためには、あまりにも不自然なファインチューニングが必要
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/flatness.gif)
Universe timeline
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/Universe_Timeline_2016_2048.jpg)
インフレーション起源の原始重力波の探索
- 宇宙背景放射の「偏光」を捉える
- 光は横波 – 縦横の偏光の重ね合わせ
- 温度の濃淡(密度の濃淡)は“E-mode偏光”を作る
- インフレーション期の原始重力波は“E-mode”&“B-mode”を作る
- “B-mode”偏光の検出：インフレーション存在の検証
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/shapeimage_17.png)
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/Planck_stack.png)
LiteBIRD
- 世界的に唯一の宇宙背景放射偏光観測衛星
- 宇宙研の将来ミッションの有力候補の１つ
- 2019年5月21日に「戦略的中型2号機」に選定
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/20161007_3-thumb-700xauto-1932.jpg)
地球のハビタビリティ
</span>](media/habitable_earth.png)
- 誕生直後の太陽は現在よりも30%程度暗かった。
- 現在から10億年後には地球はハビタブルゾーンを外れる。
40億年後: アンドロメダ銀河との衝突
</span>](http://imgsrc.hubblesite.org/hvi/uploads/image_file/image_attachment/23115/print.jpg)
100億年後の銀河系
- 星を産まない「楕円銀河」
- 衝突時に生まれた新しい太陽も100億年後には消失
</span>](http://imgsrc.hubblesite.org/hvi/uploads/image_file/image_attachment/23171/print.jpg)
スターバースト銀河と銀河衝突
NASA/ESA/STScI/AURA (The Hubble Heritage Team) - ESA/Hubble Collaboration/University of Virginia,
Charlottesville, NRAO, Stony Brook University (A. Evans)/STScI (K. Noll)/Caltech (J. Westphal)
星形成史
</span>](http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/media/urn:cambridge.org:id:binary:20171117130142015-0986:S1323358017000480:S1323358017000480_fig1g.jpeg)
宇宙の最後に残る星
- 太陽の半分以下の重さの星はヘリウム核融合に至らず、水素の枯渇の後に冷えて一生を終える
ただし低質量星の寿命は
宇宙の年齢よりも長い
ことに注意
太陽の1/10の重さの星
寿命2兆年、表面温度2900度
\(\to\) 「赤色矮星」
2900度はいわゆる「電球色」の温度。
朝日や夕日、白熱電球やろうそくの温度に相当。
生命居住可能な系外惑星！？
- TRAPPIST-1: 各惑星に地球の250倍の水が存在
</span>](media/ssc2017-01h_Lrg.jpg)
](media/795_T1_Density-Flux_Plot_1600.jpg)
軽い星の周りの惑星
- 100kmを超える深さの海
- いつも同じ方向に見える赤外線の「太陽」
- 降り注ぐ強烈な紫外線・X線
](media/ssc2017-01c_Inline.jpg)
宇宙の加速膨張
- 宇宙は加速度的に膨張を続ける
- 「あと1400億年は安泰」だが．．．
- 約1000億年後には隣の銀河団も「宇宙の果て」の外に
- 夜空には赤色矮星が鈍く光るのみ
