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宇宙の歴史と進化
©Aman Chokshi
島袋隼⼠(云南⼤学、SWIFAR)
@琉球⼤学(2023年2⽉9⽇)
email: shimabukuro@ynu.edu.cn
今⽇の内容
• ⾃⼰紹介
• 現代天⽂学の始まり
• 観測的宇宙論の進展
• 宇宙再電離期と21cm線
• 島袋隼士(しまぶくろ�はやと)
• 1987年10月29日生まれの34歳
• 沖縄県那覇市出身。昭和薬科大学附属高校。
• 東北大学宇宙地球物理学科天文学コース卒(
2
0
1
1
年
3
月)
• 名古屋大学大学院素粒子宇宙物理学専攻卒(
2
0
1
6
年
3
月、博士(理学))
• でも、博士課程はほとんど熊本大学
• パリ天文台(ポスドク)→清華大学(ポスドク)→雲南大学(副研究員→准教授)
• 英検
2
級、漢検
2
級、
H
S
K
4
級(中国語の検定試験)
• 専門は観測的宇宙論。特に宇宙再電離期、
2
1
c
m
線。
• 趣味:将棋、読書、中国語学習、アイドルの応援、筋トレ&ジョギング、映画鑑賞、絵画鑑賞(美術検
定4級)、料理。じゃがいも栽培。雲南省のきのこ。
ざっくり自己紹介
宣伝
youtubeに出演しました!
「らぶラボQ」、「佐伯恵太のなんでも研究チャンネル」で検索してください!
ABEMA prime
朝⽇新聞
⽇経ビジネス
News23
博⼠号取得、そして海外へ
2016年3⽉、博⼠号を取得。パリ天⽂台にてポスドクを開始。
子午線
3
5
0
年の歴史!
*職場からエッフェル塔が⾒えました。
(ボスのBenoit Semelin⽒と)
フランスってこんな国!
美術館
スイーツ
建造物
そして中国へ
清華⼤学(北京)
雲南⼤学(雲南)
中国屈指の名⾨⼤学。キャンパスが
でかい!(東京ドーム87個分)
中国の南に位置している
雲南省ってこんなところ
雲南省ってこんなところ
標⾼が2000mくらいで、空が近く、よく⾒える。
雲南省ってこんなところ
標⾼が2000mくらいで、空が近く、よく⾒える。
古い街並みが残っている
雲南省ってこんなところ
標⾼が2000mくらいで、空が近く、よく⾒える。
古い街並みが残っている
きのこが有名(⾁より⾼い!)
現代天⽂学の始まり
⼈々は今から2000年以上前に既に夜空を⾒て、宇宙を感じ、理解しようとして
きた。
©Greek astronomer
天⽂学の歴史は⻑い!宇宙を知りたいという気持ちは⼈類が昔から持っていた
⼀般相対性理論
Rµ⌫
1
2
gµ⌫R + ⇤gµ⌫ =
8⇡G
c4
Tµ⌫
アインシュタイン方程式
時空の歪み(曲率) 宇宙定数項 物質分布
アインシュタイン方程式の意味「物質(エネルギー)があると、時空(時間+空間)は歪む」
測地線方程式
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d2
x
ds2
+ µ⌫
dxµ
ds
dx⌫
ds
= 0
曲がった時空での運動を記述する式(運動方程式)
現代宇宙論は⼀般相対性理論から
始まった。
⼀般相対性理論
Rµ⌫
1
2
gµ⌫R + ⇤gµ⌫ =
8⇡G
c4
Tµ⌫
アインシュタイン方程式
時空の歪み(曲率) 宇宙定数項 物質分布
アインシュタイン方程式の意味「物質(エネルギー)があると、時空(時間+空間)は歪む」
測地線方程式
<latexit sha1_base64="SbtVyA20mhImYUUXtm4e2w7Q0DM=">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</latexit>
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dxµ
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dx⌫
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= 0
曲がった時空での運動を記述する式(運動方程式)
現代宇宙論は⼀般相対性理論から
始まった。
⼀般相対性理論と現代天⽂学①
•(星質量)ブラックホール
一般相対性理論によると、物質(エネルギー)で時空は曲がる。星も最期には自分の重
さで潰れて時空が極端に曲がる。光さえも逃げられない。
•超巨大質量ブラックホール(
S
u
p
e
r
M
a
s
s
i
v
e
B
l
a
c
k
H
o
l
e
)
太陽質量の
1
0
の5乗から10乗倍程度の質量を持つブラックホー
ル。銀河の中心に存在。
E
H
T
によるブラックホールシャドーの撮像
Why?
•重力波
時空のさざなみ。時空の激しい変動による歪みが波として伝わる。長年に渡り未検出
だったが、2015年ついに初検出。現在では50以上のイベントを観測。
重力波は時空の激しい変動によって生じる。
例えば中性子星やブラックホールの合体。
ブラックホールや中性子星の性
質を探る有力な手段。 重力波天文学の幕開け!
⼀般相対性理論と現代天⽂学②
•重力レンズ効果
⼀般相対性理論と現代天⽂学③
重力によって時空が曲がると光の経路も曲がる。1919年、エディントンが皆既日食を利用
して光の曲がりを確認。
光では見えない暗黒物質の探索にも使われいる。
弱い重力レンズ効果 強い重力レンズ効果
系外惑星の探索にも使われており、重力レンズ効果は現代の天文学では最重要な効果の一
つ。
⼀般相対性理論と現代天⽂学④
(
·
a
a )
2
+
kc2
a2
−
c2
Λ
3
=
8πG
3c2
ρ
•⼀様等⽅宇宙を仮定すると(計量テンソルを与える)、アインシュタイン⽅程式から
フリードマン⽅程式を得る事ができる。
•フリードマン⽅程式は膨張する宇宙を予⾔し、ハッブルに
よる観測によって宇宙の膨張が確認された。
•膨張宇宙はビッグバン元素合成へとつながり、また、近年
では宇宙は加速膨張している事が発⾒され、ダークエネル
ギーや重⼒理論の修正など、いくつかのシナリオが考えられ
ているが、未だに謎が多い。
⼀般相対性理論と現代天⽂学④
(
·
a
a )
2
+
kc2
a2
−
c2
Λ
3
=
8πG
3c2
ρ
•⼀様等⽅宇宙を仮定すると(計量テンソルを与える)、アインシュタイン⽅程式から
フリードマン⽅程式を得る事ができる。
•フリードマン⽅程式は膨張する宇宙を予⾔し、ハッブルに
よる観測によって宇宙の膨張が確認された。
•膨張宇宙はビッグバン元素合成へとつながり、また、近年
では宇宙は加速膨張している事が発⾒され、ダークエネル
ギーや重⼒理論の修正など、いくつかのシナリオが考えられ
ているが、未だに謎が多い。
Q
.
宇宙は膨張しているなら、過去に遡ると宇宙は収縮するのでは?
A
.
Y
e
s
.
過去の宇宙ほど小さくて高温(
~
1億度)、高密度。
高温、高密度の初期宇宙で水素、重水素、ヘリウム、リチウムなどの軽元素が作られる
(ビッグバン元素合成)。ビッグバンとは宇宙が爆発したのではなく、高温・高密度な宇宙
で元素が作られている状態
ビッグバン元素合成
Q
.
宇宙は膨張しているなら、過去に遡ると宇宙は収縮するのでは?
A
.
Y
e
s
.
過去の宇宙ほど小さくて高温(
~
1億度)、高密度。
高温、高密度の初期宇宙で水素、重水素、ヘリウム、リチウムなどの軽元素が作られる
(ビッグバン元素合成)。ビッグバンとは宇宙が爆発したのではなく、高温・高密度な宇宙
で元素が作られている状態
ビッグバン元素合成
あれ?他の元素はどこで作られる??
C
N
O
•炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)
アミノ酸
•これらの元素は我々の体を構成するタンパク質を形
作るアミノ酸の材料
•これらの元素は宇宙からやってきた。
我々は星の⼦供!
物質の循環
超新星爆発
観測的宇宙論の発展
•空を⾒上げてCMBの温度を測ると、⼀様等⽅(空のどこを観ても同じ温度)。
宇宙マイクロ波背景放射(
C
M
B
)
•ビッグバンの時の名残りの「光」が宇宙には満ちている。その「光」を
宇宙マイクロ波背景放射(CMB)という。
宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の温度ゆらぎ
CMBの温度は約3Kで⼀様。しかし、10万分の1程度の揺らぎがある。
TCMB = 2.73[K]
T
T
⇠ 10 5
CMBの平均温度
温度の揺らぎ
このCMBの揺らぎは様々な宇宙論的情報を教えてくれる。
宇宙マイクロ波背景放射(CMB)①
宇宙マイクロ波背景放射(
C
M
B
)
CMB⾓度パワースペクトル 理論と観測が⼀致している!
宇宙マイクロ波背景放射(
C
M
B
)
ピークの⾼さ
CMB⾓度パワースペクトル 理論と観測が⼀致している!
宇宙マイクロ波背景放射(
C
M
B
)
振動している
ピークの⾼さ
CMB⾓度パワースペクトル 理論と観測が⼀致している!
宇宙マイクロ波背景放射(
C
M
B
)
振動している
ピークの⾼さ
減衰している
CMB⾓度パワースペクトル 理論と観測が⼀致している!
宇宙マイクロ波背景放射(
C
M
B
)
振動している
ピークの⾼さ
ピークの位置
減衰している
CMB⾓度パワースペクトル 理論と観測が⼀致している!
宇宙マイクロ波背景放射(
C
M
B
)
C
M
B
の揺らぎの解析から分かったこと
宇宙の構成要素
ΛCDM(cold dark matter)モデル
95%は”ダーク” !!
ダークマター:重⼒相互作⽤はする。
しかし、電磁波を出さない。正体不明。26.8%
ダークエネルギー:宇宙を加速膨張させる未知
のエネルギー。反重⼒的。68.3%
他にも宇宙年齢が138億歳ということも分かった。
普通の物質:周期表に載っている物質。たった5%
C
M
B
の揺らぎの解析から分かったこと
宇宙の構成要素
ΛCDM(cold dark matter)モデル
95%は”ダーク” !!
ダークマター:重⼒相互作⽤はする。
しかし、電磁波を出さない。正体不明。26.8%
ダークエネルギー:宇宙を加速膨張させる未知
のエネルギー。反重⼒的。68.3%
他にも宇宙年齢が138億歳ということも分かった。
普通の物質:周期表に載っている物質。たった5%
宇宙再電離期と
2
1
c
m
線
現在の宇宙
©Hubble space telescope
現在の宇宙
星、銀河で輝く夜空
©Hubble space telescope
過去の宇宙
過去の宇宙
星や銀河が存在しない真っ暗な宇宙
過去の宇宙
星や銀河が存在しない真っ暗な宇宙
真っ暗な宇宙はどのような過程を経て、現在の宇宙になっ
たのだろう?
宇宙の歴史
現在
過去
https://universe-review.ca/
宇宙暗⿊時代(Dark Ages)・・・星や銀河の存在しない真っ暗な時代
宇宙再電離期(Epoch of Reionization, EoR)・・・銀河からの紫外線
によって宇宙(銀河間物質中)の⽔素が電離(イオン化)。
宇宙の夜明け(Cosmic Dawn)・・・宇宙最初の星や銀河が作られる
(宇宙誕⽣数億年後).
©国⽴天⽂台
(C)Kenji Hasegawa(Nagoya University)
Credit: M. Alvarez, R. Kae
(C)Kenji Hasegawa(Nagoya University)
Credit: M. Alvarez, R. Kae
Q:宇宙暗⿊時代、宇宙の夜明け、宇宙再電離期は何で重要?
A: 何も無かった宇宙に最初の星や銀河ができて、どのように現在の宇宙に進化した
かを考えることは、宇宙の歴史を考える上で重要。
Q:宇宙暗⿊時代、宇宙の夜明け、宇宙再電離期は何で重要?
A: 何も無かった宇宙に最初の星や銀河ができて、どのように現在の宇宙に進化した
かを考えることは、宇宙の歴史を考える上で重要。
宇宙暗⿊時代、宇宙の夜明け、宇宙再電離期はまだ観測され
ていない!!
Q:宇宙暗⿊時代、宇宙の夜明け、宇宙再電離期は何で重要?
A: 何も無かった宇宙に最初の星や銀河ができて、どのように現在の宇宙に進化した
かを考えることは、宇宙の歴史を考える上で重要。
?
宇宙暗⿊時代、宇宙の夜明け、宇宙再電離期はまだ観測され
ていない!!
天⽂学ではいろいろな波⻑の電磁波を使って観測をしている。
すばる望遠鏡
ALMA望遠鏡
チャンドラ衛星
フェルミ衛星
様々な波⻑で観測した宇宙
宇宙の物質のほとんどは⽔素
⽔素から出る電磁波を観よう!
宇宙再電離期は未だ観測されていない天⽂学のフロンティア!初代星
や初代銀河とも深い関係があるのでとても重要な時代。
宇宙暗⿊時代、宇宙の夜明け、宇宙再電離期をどうやって観測する?
H
陽⼦ 電⼦
21cm線放射(1.4GHz)
中性⽔素 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 IGM 調 適
Singlet
Triplet
21cm線輝線:中性⽔素 超微細構造 21cm線輝線 放射
遷移
Tb =
TS T
1 + z
(1 exp(⌧⌫))
⇠ 27xH(1 + m)
✓
H
dvr/dr + H
◆ ✓
1
T
TS
◆ ✓
1 + z
10
0.15
⌦mh2
◆1/2 ✓
⌦bh2
0.023
◆
[mK]
輝度温度
⾚:宇宙論 ⻘:天体物理
21cm線輝線
陽⼦ 電⼦
21cm線放射(1.4GHz)
中性⽔素 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 IGM 調 適
Singlet
Triplet
21cm線輝線:中性⽔素 超微細構造 21cm線輝線 放射
遷移
Tb =
TS T
1 + z
(1 exp(⌧⌫))
⇠ 27xH(1 + m)
✓
H
dvr/dr + H
◆ ✓
1
T
TS
◆ ✓
1 + z
10
0.15
⌦mh2
◆1/2 ✓
⌦bh2
0.023
◆
[mK]
輝度温度
⾚:宇宙論 ⻘:天体物理
21cm線輝線
再電離と21cm線
21cm線で観たIGM(シミュレーション結果)
イオン化率50% イオン化率80%
再電離領域
中性領域
21cm線
⼈⼯電波は21cm線観測の邪魔!!
MWA LOFAR HERA
GMRT
電波⼲渉計
現在の21cm線観測
たくさんのアンテナを組み
合わせて観測する。
MWA LOFAR HERA
GMRT
電波⼲渉計
現在の21cm線観測
たくさんのアンテナを組み
合わせて観測する。
しかし、まだ再電離期の宇宙からの
21cm線は観測されていない!
現在、MWA、LOFAR、HERA 観測 進 、21cm線
上限値 与 。 、理論予想 2,3桁⼤ 値 上限値
困難:電離層、RFI(⼈⼯電波)、前景放射
Shimabukuro et al 2022
21cm線観測最前線
現在、MWA、LOFAR、HERA 観測 進 、21cm線
上限値 与 。 、理論予想 2,3桁⼤ 値 上限値
困難:電離層、RFI(⼈⼯電波)、前景放射
Shimabukuro et al 2022
21cm線観測最前線
21cm線を観測するための新しい望遠鏡SKAが2028年に観測開始予定!
最新の結果より
宇宙で最遠⽅の銀河を発⾒!⾚⽅偏移
z=11(宇宙誕⽣後約4億年)
さらに最遠⽅候補銀河が⽇本グループに
よって報告された(z=13、宇宙誕⽣後約
3億年)
まとめ
• アインシュタイン⽅程式に始まる現代宇宙論(宇宙膨張、ビッグバン、宇宙
マイクロ波背景放射など)は観測によって確固とした地位を築いている。
• その⼀⽅で宇宙の歴史を⾒ると、宇宙最初の星や銀河のできた時代について
はよく分かっていない。
• そんな時期を探る有効な⽅法が中性⽔素から出る21cm線電波。
• 現在、21cm線電波を観測するプロジェクトが進⾏しているが、再電離期の
21cm線は未検出。
• SKAは21cm線観測を⽬的とした強⼒な望遠鏡で、今後⼗年の電波で探る宇
宙論から⽬が離せない。

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