2021年2月13日

1. 電波で探る過去の宇宙
島袋隼士（云南大学、SWIFAR）
©NASA
サイエンス居酒屋（2021年2月13日）

2. 今日の 容
• 私のアカデミックキャリア
• 私の研究内容

3. • 島袋隼士（しまぶくろ はやと）
• 1987年10月29日生まれの33歳
• 沖縄県那覇市出身
• 東北大学宇宙地球物理学科天文学コース卒（2011年3月）
• 名古屋大学大学院素粒子宇宙物理学専攻卒（2016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（助理教授）
• 英検2級、漢検2級
• 専門は観測的宇宙論。特に宇宙再電離期、21cm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、料理。
ざっくり自己紹介

4. •清華大学(2018-2019)
•パリ天文台(2016-2018)
•東北大卒（2011年） •博士号（名古屋大学、2016年）
アカデミックキャリア

5. •清華大学(2018-2019)
•パリ天文台(2016-2018)
•東北大卒（2011年） •博士号（名古屋大学、2016年）
アカデミックキャリア
•云南大学（2019ー）

6. 初の海外長期滞在
博士課程1年目、初の海外長期滞在のチャンスが。しかし、それまで海
外経験ほとんどなし！そして、私の英語力は英検2級！
博士課程1年時、日本学術振興会の頭脳循環プログラムで約300日海外に
フローニンゲン（オランダ） オックスフォード（英国）
メルボルン（オーストラリア）にも3ヶ月滞在。

7. 初の海外長期滞在
博士課程1年目、初の海外長期滞在のチャンスが。しかし、それまで海
外経験ほとんどなし！そして、私の英語力は英検2級！
博士課程1年時、日本学術振興会の頭脳循環プログラムで約300日海外に
フローニンゲン（オランダ） オックスフォード（英国）
メルボルン（オーストラリア）にも3ヶ月滞在。

8. 初の海外長期滞在
博士課程1年目、初の海外長期滞在のチャンスが。しかし、それまで海
外経験ほとんどなし！そして、私の英語力は英検2級！
博士課程1年時、日本学術振興会の頭脳循環プログラムで約300日海外に
フローニンゲン（オランダ） オックスフォード（英国）
メルボルン（オーストラリア）にも3ヶ月滞在。

9. 海外訪問歴
研究者は研究会で海外に行くことが多い。私の場合・・・
韓国、台湾、インド、中国、アメリカ、イギリス、イタリア、バチカン、オランダ、
ギリシャ、クロアチア、スペイン、ドイツ、フランス、
オーストラリア
Q.下の写真の共通点分かりますか？
ギリシャ
シチリア島
ドブロニク（クロアチア）

10. 個人的にお気に入りな場所（ロンドン）
グリニッジ天文台
子午線
バッキンガム宮殿
大英博物館
ウェストエンド

11. 博士号取得、そして海外へ
2016年3月、博士号を取得。その後、先輩に紹介してもらったパリ天文台にてポ
スドクを開始。
子午線
350年の歴史！
＊職場からエッフェル塔が見えました。
「ダ・ヴィンチ・コード」でも出てくる。
（ボスのBenoit Semelin氏と）
パリでは機械学習を用いた21cm線シグナル
解析方法を提案。初めての方法だったので
私の論文で一番引用されている。

12. ここが私のアナザースカイ、パリ
美術館
スイーツ
建造物

13. とにかくでかい！
敷地面積406ヘクタール
（東京ドーム87個分）
北京大と並ぶ中国屈指の名門大学。
理工系ランキングでマサチューセッ
ツ工科大学（MIT）を抜いた年も。
次なる地、北京
2018年4月、北京の清華大学へ異動。
そして学生が優秀。セミナーは全部英語。

14. 2019年12月より助理教授として云南大学・SWIFARに着任。
そして、云南へ
SWIFARは2017年設立の若い研究所

15. 2019年12月より助理教授として云南大学・SWIFARに着任。
そして、云南へ
SWIFARは2017年設立の若い研究所

16. SKAで探る宇宙再電離期
Aman Chokshi

17. 現在の宇宙
©Hubble space telescope

18. 現在の宇宙
星、銀河で煌めく夜空
©Hubble space telescope

19. 過去の宇宙

20. 過去の宇宙
星や銀河が存在しない真っ暗な宇宙

21. 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？

22. ５分で分かる銀河の作り方

23. ⃝ダークマターが宇宙の物質中では支配的。
ダークハロー
銀河形成と進化①
⃝ダークマターが重力によって集まってダークーハローを形成。
©竹内さん（名古屋大）

24. ダークハロー
初期星
⃝ダークハロー内で、水素、ヘリウムを材料に初代星（ファーストスター）
が作られる。
銀河形成と進化②
⃝初期星は超新星爆発によって、重元素を宇宙に撒き散らす。
©竹内さん（名古屋大）

25. ダークハロー 銀河
銀河形成と進化③
⃝重元素が供給されると、星形成がより進行しやすくなるため、爆発的に
星形成が進み、銀河が形成される。
©竹内さん（名古屋大）

26. ダークハロー 銀河
⃝ダークハローは他のダークハローと合体して成長する。
銀河形成と進化④
⃝他のダークハロー内でも星形成が進み、銀河が形成される。
©竹内さん（名古屋大）

27. ダークハロー 銀河
銀河形成と進化⑤
⃝ハローや銀河が合体し、より大きい銀河や、銀河の集合体（銀河団）を
形成する。
©竹内さん（名古屋大）

28. では、宇宙最初の星や銀河はいつ作られた？

29. 赤方偏移
赤方偏移 z（redshift)：宇宙膨張によって、光の波長がどれだけ伸びた
のかを表す量。大きい値ほど、過去の（若い）宇宙。
＊救急車のサイレンと同じ（近づいてくる救急車と遠ざかる救急車で聞こえ方が違いますね。）
元々の波長
伸びた波長
z=0 : 現在（138億歳）
（例）
z=0.1 : 124億歳
z=1 : 60億歳
z＝10：6億歳
z＝20：1億歳
宇宙年齢
z =
0
0

30. 宇宙の歴史
Present
Past
https://universe-review.ca/
Epoch of
Reionization
Dark ages
宇宙暗黒時代（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)・・・銀河からの紫外線光
子によってIGM（銀河間物質）中の水素が電離 (z 6-15).
宇宙の夜明け(Cosmic Dawn)・・・宇宙最初の星や銀河が作られる
(z 20-30).

31. 宇宙の歴史
Present
Past
https://universe-review.ca/
Epoch of
Reionization
Dark ages
宇宙暗黒時代（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)・・・銀河からの紫外線光
子によってIGM（銀河間物質）中の水素が電離 (z 6-15).
宇宙の夜明け(Cosmic Dawn)・・・宇宙最初の星や銀河が作られる
(z 20-30).

32. （C)Kenji Hasegawa（Nagoya University）
Credit: M. Alvarez, R. Kaehler and T.Abel

33. （C)Kenji Hasegawa（Nagoya University）
Credit: M. Alvarez, R. Kaehler and T.Abel

34. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど水素
水素から出る光を観れば良い！
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。

35. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど水素
水素から出る光を観れば良い！
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。

36. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど水素
水素から出る光を観れば良い！
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。

37. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど水素
水素から出る光を観れば良い！
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。

38. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど水素
水素から出る光を観れば良い！
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。

39. 21cm線
○21cm線放射/吸収 : 中性水素原子の超微細構造によって21cm線
電波の放射/吸収が起きる。
z=8 : λ=(1+8)*0.21=1.89m , ν=159 MHz
z=27 : λ=(1+27)*0.21=5.8m , ν=51MHz

40. 21cm線

41. 中性水素から電波が出る！
つまり・・・
ということが重要。
21cm線

42. 21cm線（発展的内容）
•21cm線放射 :超微細構造によって、IGM中の中性水素は21cm線を放射する.
z=6 (EoR) → 1.5m or 202 MHz
z=20 (cosmic dawn) → 4.4m or 68MHz
電波 域!
IGM中の21cm線を使えば、中性水素の3次元分布を赤方偏移に沿ってトモグラ
フィー的に観測できる
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 (21cm signal)
赤 : 宇宙論 青 : 天体物理

43. 21cm線で探る
21cm線を通して、銀河間物質の状態を知ることができる。
銀河間物質（IGM） 観測者
21cm線電波
電離していない（水素は中性）→21cm線が見える
電離している（水素はイオン化している）
→21cm線が見えない（というのが見える）

44. 再電離と21cm線
再電離期の銀河間物質（IGM）の状態を直接観測したい。
銀河間物質（IGM）の中性水素からの21cm線シグナル
宇宙初期の星形成や銀河形成の物理が分かる。
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

45. 現在の21cm線への制限
予想される21cm線シグナルより2,3桁大きいところに上限値を与
えている。もう一息。
HERA collaboration 2019
（2020年現在、もう少し制限は良くなっている）

46. 21cm線を観測するには

47. 21cm線は電波なので、電波望遠鏡を用いて観測する。
電波観測
FAST望遠鏡（単一鏡、中国） ALMA望遠鏡（干渉計、チリ）

48. 電波観測と光赤外観測の違い
光赤外観測 電波観測
⃝基本的には一つの望
遠鏡で観測
（例・すばる望遠鏡）
⃝複数の望遠鏡を組み
合わせて観測可能（高
分解能を実現）
⃝星や銀河、星間塵な
どを観測
⃝銀河間ガスや星間ガ
ス等を観測。
電波観測

49. D [m]
時間差 ✓ =
D
21cm線は複数の電波望遠鏡を組み合わせた電波干渉計を用
いて観測する。
角度分解能
感度
（集光力）
(望遠鏡自体の温度)
電波干渉計

50. SKA-Low
•オーストラリアに建設
•観測開始時期 2028
•周波数： 50-350MHz(z=3 27)
•角度分解能 : 数秒角
•FoV :数十ー100平方度
•集光面積 : 400 000 m2
高分解能
&
高感度
＊イメージ図

51. SKA-Low
•オーストラリアに建設
•観測開始時期 2028
•周波数： 50-350MHz(z=3 27)
•角度分解能 : 数秒角
•FoV :数十ー100平方度
•集光面積 : 400 000 m2
高分解能
&
高感度
2030年代は宇宙再電離研究の時代！
＊イメージ図

52. 私のこれまでの研究活動
• 21cm線シグナル高次統計量（bispectrum、skewness）
• 機械学習を用いた21cm線シグナル解析の提案
• 21cm forestを用いた暗黒物質の探査方法の提案
• ミンコフスキー汎関数を用いた再電離期のトポロジー解析
Artificial Neural Network(ANN)
などなど

53. 参考文献

54. メッセージ
•暗黒時代から再電離期に渡る宇宙の歴史はフロンティア
•21cm線はこれらの時期を探る強力なツール
•SKAは暗黒時代から再電離の情報をもたらしてくれると
期待されている