天文学入門講座
「宇宙論入門」
1. 宇宙観の変遷
2. 膨張する宇宙
3. 超新星と観測的宇宙論
2005年5月7日
天文学入門講座@葛飾区郷土と天文の博物館
0. そして諸注意
【 天文学とはどんな学問か 】
1. 宇宙観の変遷
【 宇宙観の変遷 】
• 空に果てはあるのか?
• 昔の昔はどうなっているのか?
• 先の先はどうなっているのか?
“宇宙”はどうなっているのか?
コスモロジー(宇宙論)
1. 宇宙観の変遷
【 古代の宇宙観 】
中国
天と海の間を太陽が行き来する
インド
ヘビ、カメ、ゾウの上に須弥山が乗っかってる
エジプト
大気の神シューと女神ヌート、太陽神ラー
1. 宇宙観の変遷
【 古代日本の宇宙観 】
天上界
ツツ
地上界
“ほしはすばる。ひこぼし。ゆふづつ。よばひぼし、すこしをかし。”
「枕草子」254段より
1. 宇宙観の変遷
【 古代ギリシャの宇宙観 】
地球は宇宙の中心にあるに違いない
プトレマイオス(1世紀)
「アルマゲスト」にて天動説を集大成
↓
その後1000年以上、宇宙観の基礎となる
1. 宇宙観の変遷
【 宇宙観の大革命 】
地球が太陽の周りをまわってた方が
説明しやすいのでは?
コペルニクス(15世紀)
「天体の回転について」にて地動説を提唱
↓
地球中心の宇宙観から太陽中心へ
1. 宇宙観の変遷
【 星界の理解 】
ガリレオ・ガリレイ(16世紀)
「星界の報告」にて天の川の正体に言及
↓
天の川を“星”の集団として認知
1. 宇宙観の変遷
【 銀河系の認識 】
ウィリアム・ハーシェル(18世紀)
天の川は銀河系の断面図である事を認知
1. 宇宙観の変遷
【 銀河宇宙へ 】
シャプレーとカーチスの大論争
(1920/4/26)
シャプレー
“星雲は天の川よりもずっと小さな天体”
カーチス
“星雲は天の川と同じ種類の天体”
ハッブルによるアンドロメダ星雲までの距離の測定で決着。
銀河とは・・・数百億~数千億の星の大集団
1. 宇宙観の変遷
【 ここまでのまとめ 】
宇宙を構成するものの理解は進んだ
↓
宇宙それ自体の理解は?
宇宙 = 時間と空間
• 始まりも終わりもない時間
• 無限に広がる空間
定常宇宙論
2. 膨張する宇宙
2. 膨張する宇宙
【 定常宇宙論の落とし穴 】
無限という概念はそれ自身が矛盾をはらむ
→ オルバースのパラドックス
“なぜ夜空は無限に明るくないか?”
2. 膨張する宇宙
【 オルバースのパラドクス 】
宇宙原理(等方原理)を仮定すると
2. 膨張する宇宙
【 オルバースのパラドクス 】
2. 膨張する宇宙
【 オルバースのパラドクス 】
2. 膨張する宇宙
【 オルバースのパラドクス 】
2. 膨張する宇宙
【 オルバースのパラドクス 】
2. 膨張する宇宙
【 オルバースのパラドクス 】
無限に遠くまで見た場合
2. 膨張する宇宙
【 オルバースのパラドクス 】
実際には・・・なぜ??
宇宙は無限ではない!
2. 膨張する宇宙
【 膨張する宇宙 】
エドウィン・ハッブル(20世紀)
ハッブルの法則を発見
(遠い銀河ほど早く遠ざかる)
v = H0 r
1. 膨張する宇宙
【 タケノコの成長 】
「遠い節ほど早く遠ざかる」
1. 膨張する宇宙
【 タケノコの成長 】
「遠い節ほど早く遠ざかる」
成
長
の
速
度
節までの距離
1. 膨張する宇宙
【 宇宙も成長する 】
後
退
速
度
銀河までの距離
エドウィン・ハッブル(20世紀)
ハッブルの法則を発見
「遠い銀河ほど早く遠ざかる」
v = H0 r
1. 膨張する宇宙
【 膨張する宇宙 】
タケノコと比較すると・・・
・伸び始め
・急激な成長
・枯れる
・土へ戻る
宇宙はどうなる?
1. 膨張する宇宙
【 宇宙はどうなるか? 】
宇宙の3通りの運命
• いつか収縮する宇宙
• いつか止まる宇宙
• 永遠に膨張する宇宙
過去を知る事が重要
ボールを投げ上げた時と比較できる
・ 重力にひかれて落ちてくる
・ たまたま釣り合ってそのまま浮かび続ける
・ 永遠に飛んでいく
1. 膨張する宇宙
【 過去の様子を知る 】
Aさん
Bさん
Cさん
← 過去
現在
3人とも時速10kmで走っていたとしても・・・
→ 距離がわかれば判定できる
1. 膨張する宇宙
【 過去の様子を知る 】
加速
一定
減速
← 過去
距離
遠ざかる速度
現在
測定が難しい
(比較的)簡単 ← 赤方偏移で測定する
1. 膨張する宇宙
【 距離を求める 】
明るさと距離には関係がある
加速膨張
一定膨張
減速膨張
標準光源があれば、距離は計算で求まる
明るさがわかれば、距離がわかり、宇宙の過去もわかる
1. 膨張する宇宙
【 標準光源を探せ 】
標準光源の条件は?
・ とても明るい
・ 一定の明るさ
・ 光度進化がない
超新星
・ 銀河と同じ程度の明るさ
・ ある種のものはどれもほぼ同じ明るさ
・ 過去も最近も同じ明るさ
1. 膨張する宇宙
【 ここまでのまとめ 】
• 宇宙は膨張している
• 膨張の様子はよくわからない
• 過去の様子を知る必要がある
• 超新星が良いらしい
2. 超新星とはなにか
2. 超新星とはなにか
【 超新星とはなんぞや 】
一生の最後で起こす大爆発
大別して2つタイプがある
[重力崩壊型超新星] Ib型、Ic型、II型
重い星の最後の大爆発
中心核に外層が落ち込んで爆発
・ すごい明るいものもある
・ 明るさが一定ではない
2. 超新星とはなにか
【 超新星とはなんぞや 】
一生の最後で起こす大爆発
大別して2つタイプがある
[炭素核爆発型超新星]Ia型
白色矮星の爆発
星全体が爆発
・ -19等程度(太陽の1千億
倍)
・ 明るさがどれもほぼ一定
2. 超新星とはなにか
【 Ia型超新星 】
白色矮星
・ 太陽程度の星のなれの果て
・ 電子の縮退圧で支えられている
チャンドラセカール質量が上限
(太陽質量の1.37倍)
→上限を超えると潰れて爆発する
2. 超新星とはなにか
【 Ia型超新星 】
白色矮星+巨星
巨星からガスが降り積もる
↓
限界を超えると爆発する
Ia型超新星
爆発する時の質量が一緒
→
明るさが同程度になる
2. 超新星とはなにか
【 ここまでのまとめ 】
• 超新星は星の進化の果ての現象
• 標準光源にはIa型が良い
3. 超新星と観測的宇宙論
3. 超新星と観測的宇宙論
【 Ia型超新星を使う 】
標準光源としてのIa型超新星
・ 非常に明るい
・ 明るさがほぼ一定
・ 近傍も遠方も変化なし(と期待できる)
・ とてもレアな現象(銀河系では400年間出現無し)
・ 本当の明るさがきっちりとは決められない
この問題をクリアしないと使えない!
3. 超新星と観測的宇宙論
【 Ia型超新星を探す 】
超新星の出現率・・・1個/100年/1つの銀河
=100個の銀河を探せば、1年間に1個は見つかる
=36500個の銀河を探せば、1日に1個は見つかる
一気にたくさんの銀河を同時に撮像すれば見つかる
3. 超新星と観測的宇宙論
【すばる望遠鏡】
すばる観測所大プロジェクト
( 春 ) SDF
( 秋 ) SXDS
圧倒的に広い視野を狙う
広視野撮像カメラSuprime-cam
8000万画素、30分角の視野
大望遠鏡+広視野撮像カメラ
→遠方の銀河を幅広く撮像可能
3. 超新星と観測的宇宙論
【SXDS】
くじら座の領域
約100万個の銀河
↓
一度の撮像で10個以上の
超新星を発見
3. 超新星と観測的宇宙論
【 超新星の見つけ方 】
何晩かに分けて同じところを撮影する
3. 超新星と観測的宇宙論
実際に超新星を探してみましょう
【第1問】
2003年5月に撮像
3. 超新星と観測的宇宙論
2003年6月に撮像
【第2問】
2003年5月に撮像
3. 超新星と観測的宇宙論
2003年6月に撮像
【第3問】
2003年5月に撮像
3. 超新星と観測的宇宙論
2003年6月に撮像
3. 超新星と観測的宇宙論
【 超新星探査チーム 】
遠方の超新星探査を行う2大国際研究グループ
・ HZT (High-Z Team)
・ SCP (Supernova Cosmology Project)
・ 遠方の超新星を探し
・ 明るさを測定して
・ 宇宙膨張の様子を精査
3. 超新星と観測的宇宙論
【 結果はいかに? 】
宇宙は加速膨張している!!
暗い
明るい
地球からの遠さ
3. 超新星と観測的宇宙論
【 真の明るさを知る難しさ 】
問題点1 手前側か奥側かがわからない
→ 赤さから判断する
おもて? うら?
3. 超新星と観測的宇宙論
【 真の明るさを知る難しさ 】
問題点2 完全に一様な明るさではない
1等以上の開きがある!
たくさん観測して解決?
3. 超新星と観測的宇宙論
【 加速する宇宙膨張 】
なぜ加速している? →
ダークエネルギー
3. 超新星と観測的宇宙論
【 これからの観測的宇宙論 】
たくさんの超新星を精度良く観測する時代に
→ダークエネルギーの性質を探る
SNAP衛星
SDSS望遠鏡
3. 超新星と観測的宇宙論
【 日本人と超新星 】
日本のアマチュア天文家が大活躍
・ 大望遠鏡は遠くを狙う(近くが苦手)
・ 高度な知識と技術
・ なによりも熱心
超新星に興味があると得をします
・ 夜空を眺めるのが楽しくなります
・ つまらないことが気にならなくなります
超新星の発見数
3. 超新星と観測的宇宙論
【 まとめ 】
• 宇宙は加速膨張している
• 超新星を使った研究はこれから
• 今晩から夜空を見上げましょう
おつかれさまでした
1. 膨張する宇宙
【 過去の様子を知る 】
宇
宙
の
大
き
さ
(
赤
方
偏
移
)
加速膨張
一定の明るさの天体
(標準光源)
減速膨張
遠い
近い
時間(=距離)
現在
1. 膨張する宇宙
【 過去の様子を知る 】
ダウンロード

Cosmology with Type Ia Supernovae