宇宙科学I (文科生)

イントロダクション

土井靖生

2019/9/27

この講義の内容

“天文学”の守備範囲について紹介します。

“宇宙”全般を扱います
対象範囲は非常に広いです
- すぐ後で一応の定義をします
直接行くのが“不可能”な場所を扱います
- 最近は太陽系内についてはそうでもなくなりつつあります
「究極のリモートセンシング」
- 研究のためにはいわゆる理系の知識(「数学」「物理」「化学」「地学」…)を総動員する必要があります
本講義では出来るだけ平易な解説を心掛けます
- ごく稀に数式が出て来ますが無視して下さい

評価＆履修

評価
- 期末試験の点数に基づき評価します
履修
- 宇宙科学実習 I & IIも合わせて履修可能です
  - 実際の観測データを用いた解析実習を行います
- 【参考】理系向け科目として宇宙科学Iと宇宙科学IIを開講しています
  - 宇宙科学IIは天文学の個別のテーマに絞った講義を行います

講義資料

講義資料の置き場所

ネット上に掲示しています。

http://akari.c.u-tokyo.ac.jp/~doi/Astronomy/

「宇宙」とは何か？

「宇宙」の定義

「月その他の天体を含む宇宙空間の探査及び利用における国家活動を律する原則に関する条約」
(宇宙条約)

第一条：宇宙空間の探査・利用の自由
第二条：領有の禁止
その他平和利用の原則など

“宇宙空間” = 「地球大気の外側」

\(\downarrow\)

地球大気の厚さはどれだけか？

宇宙空間は概ね“地上100km以上”が定義
- 領空の上限 (明文化はされていない)

地球大気の厚み

大気の圧力分布：大気圧\(=\)「頭の上にある空気の重さ」
- 1気圧の大気の(個数)密度 : \(2 \times 10^{19}\) \([個\ \mathrm{cm}^{-3}]\)
- 地球大気は主に8割が窒素分子、2割が酸素分子

(ISAS大気球ホームページより)

(気象庁ホームページより)

宇宙空間から見た大気層

宇宙ステーション(高度400km)、オーロラ(高度100km)

NASA

「天文学」

ひと昔前の天文学の守備範囲

宇宙空間に存在するもののうち、惑星以外の全て
太陽、星、星間物質、銀河、銀河団、宇宙全体、、、
惑星だけは“惑星科学”の守備範囲(だった)

太陽系外惑星の発見

現在までに5000個以上の系外惑星を検出
- ほとんどは“間接的”検出だが一部直接観測も
系外惑星の大気組成や地形の観測も近い将来可能に
- 天文学と惑星科学の境界は無くなりつつある
  - 夏学期惑星地球科学I (理科生; 小宮剛)
  - 夏学期惑星地球科学I (文科生; 磯﨑行雄)
  - 冬学期惑星地球科学I (理科生; 小久保英一郎)

NASA/Ames Research Center/Wendy Stenzel

ペガスス座HR8799星(地球からの距離129光年)

(Credit: Jason Wang and Christian Marois)

太陽・星

星の色と内部のエネルギー源

星の質量による性質の違い

Hanson, Astronomy cource at U of Cincinnati

Wikimedia commons

星の質量と主系列星としての寿命

宇宙の元素存在比(太陽存在比)

data from Lodders (2010)

星の終末

MiraのALMAによる観測画像

<span style='font-size:16px;position:relative;top:-50px'>[Credit: ESO/S. Ramstedt (Uppsala University, Sweden) & W. Vlemmings (Chalmers University of Technology, Sweden)](https://alma-telescope.jp/news/mt-post_575)</span>

Credit: ESO/S. Ramstedt (Uppsala University, Sweden) & W. Vlemmings (Chalmers University of Technology, Sweden)

ミラの星風によるtail

NASA/JPL-Caltech

惑星状星雲

A Collection of Planetary Nebulae from the HST

ベテルギウス(オリオン座の一等星)の終末

Michael Busse

超新星残骸(かに星雲)

ブラックホール・重力波

重力波の検出

2015年9月14日9時50分45秒に重力波を初検出
質量\(35.4~\mathrm{M}_{\odot}\)と\(29.8~\mathrm{M}_{\odot}\)のブラックホールの衝突・合体
2017年8月17日12時41分4秒には中性子星合体を初検出

Credit: . Ossokine/A. Buonanno/T. Dietrich (MPI for Gravitational Physics)/R. Haas (NCSA)/SXS project

教科書が書き換わってしまいました。

2018年大学入試センター試験問題より(朝日新聞サイトより引用)

星間物質

オリオン座(可視光 vs. 赤外線)

国立天文台(可視光画像)、ISAS/JAXA(赤外線画像)

オリオン座

Credit & Copyright: Rogelio Bernal Andreo

暗黒星雲

Credit:John Corban & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator

暗黒星雲(可視光 vs. 赤外線)

Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (AURA/STScI); ESO

暗黒星雲(赤外線)

Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (AURA/STScI)

星形成・惑星系形成

オリオン大星雲

Credit: NASA, ESA, M. Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA) and the Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team

Proplyd atlas

NASA/ESA and L. Ricci (ESO)

濃い星間ガス中での星生成

Star formation processes. Credits: Greene 2001

原始惑星系円盤

HL Tau

TW Hya

HD97048

ALMA Partnership (2015)

Andrews et al. (2016)

van der Plas et al. (2017)

系外惑星データベース

exoplanets.org

TRAPPIST-1

各惑星に地球の250倍の水が存在

NASA/JPL-Caltech

Habitable Planets

Planetary Habitability Laboratory/University of Puerto Rico at Arecibo

小惑星サンプルリターン

はやぶさ
- S-type (イトカワ)
- 2003年打ち上げ
- 2005年夏小惑星到着
- 2010年6月13日地球帰還

ISAS/JAXA

現在実施中のサンプルリターンミッション

はやぶさ2
- C-type (リュウグウ) 2014年12月3日打ち上げ、2018年6月27日到着、2019年出発、2020年末帰還
OSIRIS REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer)
- C-type (ベンヌ) 2016年9月8日打ち上げ、2019年10月19日到達、2021年3月21日出発、2023年9月24日帰還