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過去・現在・未来をたどる宇宙論
- 2. 本シリーズ共通の趣旨：３つの謎への探求をカジュアルに楽しむ COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 2 生命とは？ http://www2.city.nasushiobara.lg.jp/kids2/kid_where.html 宇宙とは？ 知能とは？ 宇宙物理学 宇宙生物学 分子生物学 合成生物学 神経科学 コンピュータ科学 物理学 生物学 化学 生理学 数学 解きたい謎 関連する学問テーマ 学問テーマの大分類 今回の テーマ
- 3. 資料の構成 • アインシュタイン以前 • 神話の時代 • 古代ギリシア • 中世の躍進 • アインシュタイン以後 • 一般相対性理論 • ビッグバンとその先へ • 現代の宇宙論トピック ※QAは都度チャットでお願いします COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 3 【自己紹介】 IT企業でAIなど新技術を活用した事業開発。 元々宇宙物理研究を志し、今は１科学愛好家。
- 6. 中世の科学：コペルニクスとガリレオの地動説 COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 6 彼の著作「コメンタリオルス」に記載された７つの公理 1. 天体は、同じ1つの中心を共有しているわけではない。 2. 地球の中心は宇宙の中心ではない 3. 宇宙の中心は太陽の近くにある 4. 地球から太陽までの距離は、地球から恒星までの距 離とくらべれば取るに足りないほど小さい。 5. 恒星が日周運動をしているように見えるのは、地球が 自分の軸のまわりに回転しているからである。 6. 太陽が一年かけて動くように見えるのは、地球が太 陽のまわりをまわっているからである。惑星はみな、太 陽のまわりを回っている。 7. 惑星のいくつかが逆行運動をするように見えるのは、 運動する地球上の観測者という、われわれの立場の せいに過ぎない。 ニコラウス・コペルニクス (1473~1543) ティコ・ブラーエの観測結果を 基に太陽中心モデルを考案 ガリレオ・ガリレイ (1564~1642) 〇サイモン・シン「ビッグバン宇宙論」 • 相対性原理(等速度で動い てるので我々は地球の動き を感知できない) • 望遠鏡の改良 • 「天文対話」（下図） 支持 原題『プトレマイオスとコペル ニクスとの二大世界体系に ついての対話』 天動説派、地動説派、良 識派の三登場人物の議論 形式で一般向けを意識。 教皇庁により異端と裁決さ れ、終身禁固、著書は禁 書指定となった。 〇写真はWikipedia
- 7. 中世の科学：ケプラーからニュートンの万有引力の法則 COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 7 地面 太 陽 地球 アイザック・ニュートン (1642〜1727) 万有引力の法則 すべてのものが互いに引き合 う力「引力」を持っており、そ の大きさは質量に比例し、 距離の2乗に反比例 ヨハネス・ケプラー (1571〜1630) ケプラーの法則 1. 惑星は、太陽を焦点のひとつとする楕 円軌道上を動く 2. 惑星と太陽とを結ぶ線分が単位時間 に描く面積（面積速度）は、一定で ある。 3. 惑星の公転周期の2乗は、軌道長半 径の3乗に比例する。 〇写真はWikipedia 同原理
- 9. アインシュタインの一般相対性理論：重力を再定義 COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 9 時空の歪みで星の光もゆがむ（重力レンズ） 重力とは時空の歪みの度合い 時空の歪み（＋宇宙定数）＝物質の質量(エネルギー) ↑宇宙を定常させるための苦肉の策 一般相対性理論（別名 重力）方程式の意味合い アルベルト・アインシュタイン (1879〜1955)
- 14. ビッグバン理論の検証: 宇宙の晴れ上がり COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 14 火の玉状態（陽子と電子がバラバラ） 陽子が電子を補足して今の原子構造に 〇宇宙には果てがあるのですか？（国立天文台） https://www.rikanenpyo.jp/FAQ/tenmon/faq_ten_009.html 陽子 ( 赤 ) 電子 ( 水色 ) 光子 ( 黒線 ) ビッグバンの 残り火
- 15. ビッグバン理論の検証: 残り火を遂に発見 COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 15 1965年に二人の技師が「たまたま」発見 →ノーベル物理学受賞 宇宙背景輻射（宇宙創成後 約37万年後の情報）
- 19. 宇宙全体での質量分布 COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 19 68% : ？？？ 5%：我々が知る物質（原子で出来てるもの） https://sci.esa.int/web/planck/-/51557-planck-new-cosmic-recipe 27% : ？
- 21. 宇宙の現在：太陽系と銀河 COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 21 我々が所属する天の川銀河（約１千億個の星） 志賀高原から見た天の川銀河 https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E3%81%AE%E5%B7%9D https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%8A%80%E6%B2%B3%E7%B3%BB 中心にいて座A※
- 23. 現代宇宙論のトピック１：暗黒物質（ダークマター） COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 23 銀河１ 銀河２ 物質の引力 ＜ 膨張の速度 まだ見つけてない物質？ （引力を及ぼすもの） →暗黒物質（ダークマター） 銀河団の調査の結果・・・
- 24. 暗黒物質（ダークマター）の候補 天体物理アプローチ MACHO(Massive Astrophysical Compact Halo Object) （以前はブラックホールの可能性も） 素粒子物理アプローチ WIMP((Weakly Interacting Massive Particles) 熱い派 ニュートリノ etc 冷たい派 アクシオン etc COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 24 ※厳密には上記分類は齟齬がありますが、イメージでの理解優先のためWIMPでくくっています
- 25. 宇宙全体での質量分布 COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 25 68% : ？？？ 5%：我々が知る物質（原子で出来てるもの） 27%：暗黒物質（ダークマター） https://sci.esa.int/web/planck/-/51557-planck-new-cosmic-recipe
- 26. 現代宇宙論のトピック２：暗黒（ダーク）エネルギー COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 26 一般相対性理論（別名 重力）方程式の意味合い（再掲） 時空の歪み（＋宇宙定数）＝物質のエネルギー 復活 宇宙 ある星を調べた結果、宇宙の膨張速度 が加速していることが判明(1998) →重力（引力）に打ち勝つ跳ね返す 力が宇宙全体にないと説明不能・・・ →「暗黒(ダーク)エネルギー」 膨張速度が速くなっている
- 27. 宇宙全体での質量分布 COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 27 約68% : 暗黒エネルギー 約5%：我々が知る物質（原子とか） 約27%：暗黒物質（ダークマター） https://sci.esa.int/web/planck/-/51557-planck-new-cosmic-recipe
- 28. 宇宙の未来：宇宙の終末は？ COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 28 参考：完全独習 宇宙論 宇宙の 未来 宇宙という構造 自体 1. 膨張速度が大きくなりちりぢりに（ビッグリップ） 2. この状態で現状維持 3. 膨張速度が小さくなりしぼむ（ビッグクランチ） 4. その他 我々の宇宙を 構成する天体 時間 主な出来事 0 宇宙創成(厳密には不明) 40万年 宇宙の晴れ上がり （暗黒時代） 30億年 星と銀河の形成 90億年 太陽と地球の形成 100億年 生命の誕生 138億年 現在 190億年頃 太陽の赤色矮星化（エネルギー枯渇） 100兆年頃 星が燃え尽きる 1032兆年頃 （原子核を成す）陽子崩壊 スティーブン・ウィリアム・ ホーキング： ブラックホール蒸発理論 10100兆年頃 ブラックホール蒸発
- 29. まとめ 中世に観測（事実）を元にした仮説として地動説が唱えられて近代科学が生まれ、最 終的にはニュートンが万有引力の法則で天体の動きを解明した アインシュタインが重力とは時空の歪みであるという一般相対性理論を打ち出したことで現 代宇宙論が始まった 観測技術の進歩によって膨張宇宙論が優勢となり、ビッグバン→インフレーション理論が 打ち立てられた 宇宙を構成する物質（エネルギー）は大半が未知だが、そのうちダークマターは解明が近 いといわれている 宇宙の起源解明には有望理論はあるが検証の目途がたっておらず、未来の終息について はいくつかのパターンが予測されている COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA 29