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現代宇宙論入門4
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現代宇宙論入門4
1.
現代宇宙論⼊⾨:観測的宇宙論の発展 島袋隼⼠(云南⼤学) ©NASA
2.
4・観測的宇宙論の発展
3.
• 膨張する宇宙から、宇宙初期はホットで⾼密度だったこと が予想される。その時の宇宙をビッグバンと⾔う。 • ビッグバンで主にヘリウム元素までが⽣成される。 •
宇宙の温度が冷えることで光⼦(光)が⾃由に進むことが でき、現在、宇宙マイクロ波背景放射(CMB)として観測 される。CMBはビッグバンの名残。 • ヘリウムやCMBの観測によって現在ではビッグバン理論は 標準的な理論となっている。 前回の復習
4.
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(CMB)①
5.
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 宇宙マイクロ波背景放射(CMB)② このCMBの揺らぎは様々な宇宙論的情報を教えてくれる。
6.
らぎとは何か? 10万分の1の揺らぎとはどれくらいなのか? (例)⽇本⼈の20代男性の平均⾝⻑は171.5cm、標準偏差5.9cm(厚⽣労働省平成 28年調べ)→揺らぎは5.9÷171.5=0.034 つまり3.4% 分布関数・・・測定量がどの様に分布しているか。 ⾃然科学でよく出てくるのはガウス分布(正規分布) 正規分布は「平均」と「標準偏差」のみで決ま る。 例えば標準偏差(1σ)は「全体分布のうち 68%がこの範囲に収まっている」という意味。 平均⾝⻑が171.500cmだとすると、標準偏差が0.0017cm.つまり20代男性の68%が 171.498cmから171.502cmの範囲に⼊らないといけない!まさに髪の⽑程度の違い。
7.
どうやって解析するか? CMBの温度ゆらぎのマップをどうやって解析するのか? 1. 空を⾒上げて、空間上の2点を選ぶ 2. その2点間の⾒込み⾓で揺らぎの⼤き さを測る。 3.
再び別の2点を選んできて、揺らぎの ⼤きさを測る。これを⾊々な⾒込み⾓ で繰り返す。 4. これによって⾊々な空間スケールでの 揺らぎを測定。 まとめると・・・ CMBの温度揺らぎの解析では、様々な⾒込み⾓(空間 スケール)に応じた揺らぎの⼤きさを測定する。
8.
解析結果
9.
解析結果
10.
解析結果 どういう特徴がありますか?
11.
解析結果 CMB⾓度パワースペクトル 理論と観測が⼀致している!
12.
解析結果 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!
13.
解析結果 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!
14.
解析結果 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!
15.
解析結果 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!
16.
CMBの らぎ 測から分かったこと •宇宙の構成要素(次のスライド) •宇宙年齢は138億歳 •宇宙は平坦 •ヘリウムの存在量がビッグバン理論と⼀致。 •バリオン⾳響振動 などなど。
17.
標準宇宙論モデル 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% ⼀般相対性理論+揺らぎの発展⽅程式(ボルツマン⽅程式)によって 宇宙を記述。観測結果をうまく説明できる。 普通の物質:周期表に載っている物質。たった5%
18.
標準宇宙論モデル 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% ⼀般相対性理論+揺らぎの発展⽅程式(ボルツマン⽅程式)によって 宇宙を記述。観測結果をうまく説明できる。 普通の物質:周期表に載っている物質。たった5%
19.
宇宙の構造形成 ΛCDMモデルに基づく宇宙構造形成進化理論 ダークマターが互いに重⼒で引きつけあって集まってくる 揺らぎの⼤きい場所ほど構造形成が起きやすい。 ダークマターが重⼒で集まって集合体ダークハローを形成 ダークハローの中でガスが集まって星や銀河が形成される。
20.
宇宙の構造形成 ΛCDMモデルに基づく宇宙構造形成進化理論 ダークマターが互いに重⼒で引きつけあって集まってくる 揺らぎの⼤きい場所ほど構造形成が起きやすい。 ダークマターが重⼒で集まって集合体ダークハローを形成 ダークハローの中でガスが集まって星や銀河が形成される。
21.
宇宙の構造形成 ΛCDMモデルに基づく宇宙構造形成進化理論 ダークマターが互いに重⼒で引きつけあって集まってくる 揺らぎの⼤きい場所ほど構造形成が起きやすい。 ダークマターが重⼒で集まって集合体ダークハローを形成 ダークハローの中でガスが集まって星や銀河が形成される。
22.
宇宙の構造形成 ΛCDMモデルに基づく宇宙構造形成進化理論 ダークマターが互いに重⼒で引きつけあって集まってくる 揺らぎの⼤きい場所ほど構造形成が起きやすい。 ダークマターが重⼒で集まって集合体ダークハローを形成 ダークハローの中でガスが集まって星や銀河が形成される。
23.
宇宙大規模構造 宇宙の⼤規模構造の観測 ◯⼀つ⼀つが銀河。 ◯銀河が密集している所があれ ば、すかすかな領域もある。 ◯フィラメント状の構造を持つ。 密度揺らぎの⼤きな場所では構 造形成が進み、密度揺らぎの⼩ さい場所では構造形成が進まな い。
24.
解析結果 CMBと同じ様に、パワースペクトルを使ってダークマターの密度揺らぎを解析する ことができる CMBと同様に構造形成理論も理論と観測が⼀致している。
25.
そもそも何故、 らぎが存在するのだろう? 答えから⾔うと「インフレーション」 宇宙誕⽣直後の10のマイナス36秒から10のマイナス34秒の短時間の間に宇宙が指数 関数的に約30桁倍膨張。(0.1mmの髪の⽑が100億光年!) •インフレーション時の量⼦的な揺らぎが宇宙 サイズに引き伸ばされた。 •インフレーション時のエネルギーが熱エネル ギーに転化→ビッグバン。 実はインフレーションの観測的証拠はまだ無い! CMBの偏光を使ってインフレーションを探る!
26.
偏光
27.
偏光
28.
CMBの偏光 ⻑⾕川⽒スライドより
29.
CMBの偏光 ⻑⾕川⽒スライドより インフレーション時の原始重⼒波によってBモードが⽣成される。
30.
⽇本主導のCMBのBモード観測を⽬的とした衛星。 2028年頃打ち上げ予定。
31.
要約 • 宇宙マイクロ波背景放射(CMB)はインフレーション起 源の温度揺らぎを持っている。 • CMBの温度揺らぎは様々な宇宙論的情報を教えてくれ る。 •
残されたCMBのフロンティアは偏光。偏光を観測できれ ば、インフレーションの⼿がかりを得ることができる。 • ⽇本ではLiteBIRD計画が進⾏中。
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