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
<latexit sha1_base64="SbtVyA20mhImYUUXtm4e2w7Q0DM=">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</latexit>
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>
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。