宇宙論の現状

Probing the Dark Side ofthe Universe

 宇宙論パラメターがほぼ決定された
 宇宙マイクロ波背景放射の観測
 ＣＯＢＥ
 気球・地上観測
 ＷＭＡＰ

 超新星探査

国立天文台
理論研究部
杉山直

 ２つのグループ：専用望遠鏡を用いた成果
 最近では大望遠鏡で高赤方偏移のものを探している 重水素の存在量の確定：元素合成
 Keck望遠鏡
Keck望遠鏡 重力レンズ効果：Strong
重力レンズ効果：Strong Lensing,Lensing, Shear Field 広視野カメラ

天文学・宇宙論の現状（続き）
 宇宙の地図作り

WMAP

 比較的近傍での赤方偏移決定
 物質分布のパワースペクトル決定（特にバリオン振動）
 最遠方天体探査
 WMAPは
WMAPはz~20での再加熱を示唆
z~20での再加熱を示唆
 銀河：巨大望遠鏡によるLy
銀河：巨大望遠鏡によるLy--alpha emitter探査
emitter探査
 QSO：QSO：SDSSによる探査
SDSSによる探査 構造形成の時間進化での大規模構造（銀河団の種）の発見
 赤方偏移z~5
赤方偏移z~5での大規模構造（銀河団の種）の発見
 z=6.4のz=6.4のGRBの発見
GRBの発見Temp.

Obs.
Obs. of
WMAP

Degenerate
line
h=0.7

h=0.5

Temp-Pol

1

年
光
３０億

２ｄＦ銀河探査チーム提供

ダークマター
23%

年
光
１０億

観測者

宇宙項=宇宙項=ダークエネルギー
73%

２０億

光

年

明らかになった宇宙の姿

普通の元素4%普通の元素4%
移偏方赤ダークエネルギー、ダークマターに支配される宇宙

宇宙の大規模構造（一つの点が銀河！）

Eisenstein et al.
astro-ph/0501171

ＳＤＳＳ

バリオン振動CMBのpeaksと起源は同じ。
物理的サイズは決まっている

すばるの発見した最遠方の銀河

すばるで見つけたz~6.6でのLyalpha emitter ９個のうちの一つ

Taniguchi et al.
Publ. Astron. Soc.
Japan 57, 165-182,
2005

2

Ouchi et al. 2005

Temp
Obs. ofWMAP
Temp-PolSubaruが見つけた最遠方の銀河団（の種）First Star Formation Epoch was z=20
Detect Reionization from polarization

τ = 0.166 +−00..076
071 ( WMAP) Optical Depth from= 0.17 ± 0.04(all)present epochz reio = 20 +−109 (95%CL ),17 ± 5(instant reio)
220t rio = 180 +−80(95%)

サーベイ
広く OR 深く

今後の宇宙論の３大テーマ
 Dark Energy
 Dark Matter Dark Ages: 最初の天体が形成される頃

広く AND 深く

Dark Side of the Universeを明らかにする

3

 Dark Energy

宇宙項とダークエネルギー

 何が知りたいか

時間進化を調べ、「宇宙項」なのかどうかを決着つけ、状態方程式を決定する
p=wc2ρ : wを決める→宇宙の膨張は ρ ∝ a-3(1+w)
wを決める→
 どのように解明するか
宇宙の膨張速度を赤方偏移の関数として決定できれば、ダークエネルギーの状態方程式が決められる
超新星探査、重力レンズ、密度揺らぎのパワースペク
トルのバリオン振動、さらにＣＭＢも組み合わせる

宇宙項： p=−ρ
c2 : p圧力、ρ
圧力、ρ密度、c密度、c光速度
p=−ρc
ダークエネルギー： p=w
p=wρc2
斥力として宇宙を加速させる条件 w<−
w<−1/3

ダークエネルギーは宇宙項(
ダークエネルギーは宇宙項(w=−1)の一般化
wは時間変化もあり得る

広い視野、かつ比較的高赤方偏移（z広い視野、かつ比較的高赤方偏移（z ~ 1 to 2）
2）での光赤外観測、特にimaging
での光赤外観測、特にimagingSDSS+すばる
すばる
8mクラスの広視野地上専用望遠鏡：
8mクラスの広視野地上専用望遠鏡：SDSS+
SDSS
2mクラスの広視野スペース専用望遠鏡：スペース2mクラスの広視野スペース専用望遠鏡：スペースSDSS

宇宙誕生後
40万年40万年

 Dark Matter 何が知りたいか

光ではなく、質量の分布を決定する
 どのように解明するか

重力レンズ効果を用いて、ダークハローの質量を直接測定する
銀河などの中心に存在するcuspからのガンマ線銀河などの中心に存在するcuspからのガンマ線を測定する

地球
宇宙マイクロ波背景放射

宇宙誕生後
10億年

 広い視野、かつ比較的高赤方偏移（z広い視野、かつ比較的高赤方偏移（z ~ 1 to 2）2）での光赤外観測、特にimagingでの光赤外観測、特にimaging
 ガンマ線での観測

140億光年彼方
140億光年彼方
ビッグバン

 Dark Ages
 何が知りたいか

最初の天体はいつどのように誕生したのか
どのように現在の構造に成長していったのか どのように解明するか最初期の天体からの光を直接捉える
銀河間ガスのイオン化の状態を調べる

SDSS+すばる
すばる
8mクラスの広視野地上専用望遠鏡：：
8mクラスの広視野地上専用望遠鏡：：SDSS+TeVチェレンコフ望遠鏡
TeVチェレンコフ望遠鏡

 物理定数の時間進化
 何が知りたいか

重力定数や微細構造定数が果たして過去でも同じ値であったのか どのように解明するか
z~3程度のQSOの吸収線（１０億年）、の吸収線（１０億年）、CMB
CMB温度
温度z~3程度のQSO
ゆらぎ(ゆらぎ(４０万年),４０万年), ビッグバン元素合成（3ビッグバン元素合成（3分）

 ガンマ線バースト

でのSpectroscopy
Spectroscopyの測定の測定
 高赤方偏移(z~3)
高赤方偏移(z~3)での マイクロ波背景放射揺らぎ

polarizationの詳細な測定の詳細な測定
 CMBの温度揺らぎ、CMBの温度揺らぎ、polarization

 ２１ｃｍ線によるbright
２１ｃｍ線によるbright ness Temp.の揺らぎ
Temp.の揺らぎ
CMBの衛星
CMBの衛星２１ｃｍのための大規模干渉計

Keck望遠鏡
望遠鏡
2020-30mクラスの次世代巨大望遠鏡：次世代
30mクラスの次世代巨大望遠鏡：次世代Keck
スペースＣＭＢ望遠鏡：次世代WMAP
スペースＣＭＢ望遠鏡：次世代WMAP

4

今後の展開30mクラスへ さらに深く
 大口径望遠鏡：光バケツ

Bergstrom et al.

 さらに広く8mクラスでのSDSS

 高視野望遠鏡、専用化

Ichikawa, Kawasaki さらにクリアーに6mクラスへ

 宇宙望遠鏡 Adoptive Optics (AO、補償光学(AO、補償光学))

 さらに多くの波長で 長波長電波からガンマ線まで
 宇宙最初期の星の光は赤外線に赤方偏移 電磁波以外での観測

光・近赤外での観測
さらに深く：大口径望遠鏡
 見かけ暗い天体を見つける:
見かけ暗い天体を見つける: imaging
 遠方 and/or intrinsicに暗いintrinsicに暗い8mクラス光望遠鏡のまとめ
 現存する望遠鏡
 すばる8.2m
すばる8.2m ハワイ

天体を取る 暗い天体のSpectroscopy
暗い天体のSpectroscopyを取る

南北に１台づつ Gemini （米欧）8.1m（米欧）8.1m南北に１台づつが鍵 クリアーな像を得るためには補償光学(AO)
クリアーな像を得るためには補償光学(AO)が鍵が４台
 VLT （欧）8.1m（欧）8.1mが４台

 レーザーガイド星 MultiMulti-conjugate AO：多数のレーザーガイド星使う
AO：多数のレーザーガイド星使う

 建設中の望遠鏡
 Large Binocular Telescope(LBT)
Telescope(LBT) (イタリア他でアリ(イタリア他でアリチリ
10mが２台10mが２台
 HobbyHobby-Eberly望遠鏡
Eberly望遠鏡 9.2mだが部分的にのみ可動
9.2mだが部分的にのみ可動
 South Africa Large Telescope(SALT)
Telescope(SALT) 9.2mで部分的9.2mで部分的にのみ可動
 Keck（米）Keck（米）

世界の大型光学赤外線望遠鏡（口径6.5m以上）ゾナに設置） 8.4mを２台同時に8.4mを２台同時に
 カナリア大望遠鏡(GTC)
カナリア大望遠鏡(GTC) （スペイン）

ハワイ、チリ

Large Binocular Telescope(LBT)
8.4m×２ Mt.Grahamに建設中

10m

１３台完成＋３台建設中
さらに18台の3m-6m望遠鏡（理科年表による）、より多くの小型望遠鏡建設中のもの

東大・京大によるアタカマ6.5m望遠鏡計画・岡山3m級望遠鏡計画もあり

5

巨大口径望遠鏡プロジェクト
Extremely Large Telescope：
Telescope： ELT
米欧の複数提案が、米、欧それぞれでまとめられつつある ヨーロッパの提案
 Over Whelming Large Telescope ： OWL

ESO(ヨーロッパ南天文台ESO(ヨーロッパ南天文台))
 Euro50

日本でもようやく検討が始まっている：JELT
JELT

Sweden中心
Sweden中心
 口径50
口径50--100m
HST

31MEuro Design Studyがスタート
Studyがスタート 2008年まで：2008年まで：31MEuro 総額は1200MEuro?
総額は1200MEuro?

(50m?)

 20152015-2020頃完成？
2020頃完成？

ＥＬＴ(Figures by Richard Ellis) アメリカのELT
アメリカのELT Project ThirtyThirty-Meter Telescope (TMT) project メンバーz Caltech, UC: The California Extremely Large Telescope - CELTz Association of Universities for Research in Astronomy (AURA,32 U.S. inst. 7 international affiliates): Giant Segmented Mirror
Telescope - GSMTz Association of Canadian Universities for Research in Astronomy(ACURA): Very Large Optical Telescope - VLOT 予定
すでにdesign
すでにdesign and development phase
２００７年までに基礎開発、望遠鏡設計、サイト決定、２０１５年完成を目指す 予算
2003年にはMoore Foundationが2003年にはMoore
Foundationが$35 million
ACURAが$10 million Canadian
ACURAが2005年に2005年に$10
４者で$700Mが目標、 2007年までに$70M集める（集める（NSF=AURA
NSF=AURA
４者で$700Mが目標、2007年までに$70Mだけがまだ）日本の参画検討中

巨大口径望遠鏡プロジェクト（続き）
Giant Magellan Telescope (GMT) カーネギー財団、アリゾナ大学のプロジェクト
 有効口径21m
有効口径21m (8.4mの単一(8.4mの単一鏡が７枚)鏡が７枚)
 チリ・ラスカンパナス観測所

が候補地
 星像がきれいにとれる5m望遠鏡と、30mの比較6 Large Synoptic Survey Telescope (LSST)

さらに広視野 PI: J.A.Tyson(UCDavis);
J.A.Tyson(UCDavis); Stanford, Washington, National Hyper Suprime Cam

Optical Astronomy Observatory など

地上望遠鏡
 口径8.4m
口径8.4m地上望遠鏡

 PI: 宮崎聡（国立天文台）

10 squaresquare-degree （すばるは0.25（すばるは0.25 squaresquare-degree ）：１０秒の露光で３日間で見ることが可能な範囲の全天探査を完了。ただしspectroscopyはない。
探査を完了。ただしspectroscopyはない。
 専用望遠鏡に近い 視野

 すばるに設置する新しい超広視野カメラ

3 squaresquare-degree （現在のすばるのSuprime（現在のすばるのSuprime CamはCamは0.25 squaresquare-degree）degree）

 視野

 十億円超？

 Dark Matter: strong lens

 専用して使えれば世界最高の成果が出せる！

（次のLSSTに負けない！）（次のLSSTに負けない！） Dark Energy: weak lens 33-D mass reconstruction tomographyに
tomographyによって密度揺らぎの時間進化を測定する
 Optical Transients: 例えばgamma
例えばgamma--ray burstのburstのoptical flush Objects of Outer Solar System: 例えばKuiper
例えばKuiper Belt天体
Belt天体 NearNear-Earth Objects: 例えばAsteroid
例えばAsteroid 絶滅を避ける！

p=wc2ρ

サーベイ能力を16倍へＬＳＳＴと同様のプロジェクト
 The Dark Energy Survey (DES) Fermilabを中心としたプロジェクト
Fermilabを中心としたプロジェクト30%使用する
使用する
 CTIO 4m望遠鏡を５年間、4m望遠鏡を５年間、30%0.256

 高視野カメラDark
高視野カメラDark Energy Camera (DECam(DECam)) 520megapixel CCD camera 3 square degree

ハイパー・シュープリーム・ カメラ
超新星を１晩に500個発見することが可能！

 4band

超新星発見能力 5年間で5000square
年間で5000square degree
 $18.4M for Instrument + a few $M for data processing7 The Discovery Channel Telescope (DCT) Lowell ObservatoryとObservatoryとDiscovery Channelのプロジェクト
Channelのプロジェクト
 4.24.2-meter telescope @ Arizona 4 square degree PanPan-STARRS: the Panoramic Survey Telescope &Rapid Response System ハワイ大学
 1.8mの望遠鏡４台
1.8mの望遠鏡４台
 それぞれ3
それぞれ3 degree field of view, 1 billion pixels
 cover 6,000 deg2 per nightの監視、でもcosmology
cosmologyもできてしもできてし 主として、asteroid
主として、asteroidの監視、でもまう！
 ProtoProto-type telescopeのtelescopeのfirst lightがlightが2006年
2006年

すばる望遠鏡とGEMNIの共同プロ
すばる望遠鏡とGEMNIの共同プロ
ジェクト

ＷＦＭＯＳのサイエンスと利点

 ＷＦＭＯＳ:ＷＦＭＯＳ: Wide Field FiberFiber-Fed Optical Multi 利点：スペクトルが取れるので、赤方偏移が正確に

Object Spectrographから50005000の天体のスペクトルが取れるの天体のスペクトルが取れる
 一度に4000一度に4000から 視野は1.5deg
視野は1.5deg 当初はGemini
当初はGemini Telescope(8m)に搭載するつもりだっTelescope(8m)に搭載するつもりだったが、広視野の主焦点を使えることから、すばるに提案 $70M近い共同プロジェクト？
$70M近い共同プロジェクト？
 １１月に最初のscience
１１月に最初のscience meetingハワイで開催
meetingハワイで開催

スペース望遠鏡：現存、近未来
Hubble Space Telescope
口径2.4m 紫外〜近赤外(0.115μ)〜2.5μ
Spitzer Space Telescope
口径85cm 中間赤外〜遠赤外
3.6~160μm
GALEX
紫外
口径50cm0.135〜0.280μm
Astro-F（来年１月） 近赤外〜遠赤外
口径67cm2〜200μm

決定できる
つまりSDSSや超新星探査のアップグレードになる！
つまりSDSSや超新星探査のアップグレードになる！
 サイエンス

tomographyがより精密にできるがより精密にできる LensingのLensingのShearを用いた
Shearを用いたtomography 大規模構造の進化、またバリオンの存在による密度揺らぎの振動を用いて、ダークエネルギーを決定できる 超新星の探査にも用いることが可能

光・赤外Space望遠鏡将来計画
 James Webb Space Telescope: JWST2.4m）の後継機、）の後継機、NASA
NASAのプロジェクトのプロジェクト
 HST（口径HST（口径2.4mの1/3程度？（〜１０００億円？）
 予算はHST
予算はHSTの1/3程度？（〜１０００億円？）
年???(2015年が現実的 打ち上げは2011
打ち上げは2011年???(2015年が現実的)) 口径6.5m
口径6.5m

NIRCam、近赤外、近赤外
 観測装置は近赤外から可視(0.6観測装置は近赤外から可視(0.6--2.3µ2.3µm)のカメラm)のカメラNIRCamのmulti、中間赤外(2.4(2.4--5µm)のカメ
multi-object spectrograph (NIRSpec(NIRSpec、中間赤外m)のカメ
ラとspectrographラとspectrograph (MIRI)
 Ｌ２軌道 角度分解能は回折限界
1.2λ
1.2λ／D [Rad[Rad]] =0.084(λ0.084(λ/2.2 µm)/(D/8m) [arcsec[arcsec]]8

 SPICA

 Herschel Space Observatory 日本の中間赤外、遠赤外宇宙望遠鏡

 ２００７年８月打ち上げ予定

 口径3.5m
口径3.5m 口径3.5m
口径3.5m 地上では観測不可能な波長に目的を絞る

 遠赤外線

 L2軌道L2軌道

 L2軌道
L2軌道

 4.5Kまでの冷却を、放射冷却と機械式冷凍機だけを用いる（通4.5Kまでの冷却を、放射冷却と機械式冷凍機だけを用いる（通 サイエンスの目的

常は液体ヘリウム） 予算４００億程度

6060-670 µm

 The formation and evolution of Galaxies, and what it is that'powers' them.
 Stellar evolution and development, and how stars grow fromthe interstellar medium.
 Astrochemistry (the formation of chemicals in space) SNAP: Supernova/Acceleration Probe

またはJDEM:
またはJDEM: Joint Dark Energy Mission
 口径2m
口径2m
 視野0.34squrare
視野0.34squrare degree、degree、411Mpixels
 波長は0.35
波長は0.35--1.7µ1.7µm （可視ほぼ全域と近赤外）

を搭載
 カメラ（可視、赤外）とspectrograph
カメラ（可視、赤外）とspectrographを搭載
 Ｌ２軌道個の超新星
 一年間で2000一年間で2000個の超新星
 一年間で~1000squrare
一年間で~1000squrare degreeのdegreeのmappingを行い、mappingを行い、gravitational lensingのlensingのshear fieldを測定する
fieldを測定する

日本の光赤外大型計画のRoad
日本の光赤外大型計画のRoad Map

3ｍ・6.5m
HOP
すばる
将来計画
等

将来計画検討報告書「2010年代の光赤外線天文学」より

9

電波の次期・将来プロジェクト
 ＡＬＭＡ 地上の大干渉系+小口径（7m）
 12m口径６４台
12m口径６４台+
小口径（7m）
 周波数（波長）は30GHz(1cm)
周波数（波長）は30GHz(1cm)--950GHz(0.32mm
950GHz(0.32mm))
 干渉系は、互いの間隔を広げれば高解像度、ただし視野が狭くなる
秒角の分解能：14km
14kmの基線長の基線長
 最大0.01
最大0.01秒角の分解能：
秒角程度、ただし小口径と、12m
12m一一
 視野は最大で100
視野は最大で100秒角程度、ただし小口径と、台を組み合わせて運用すれば、広い視野も観測可能
 アメリカ、ヨーロッパ＋日本、台湾も参加か億円（日本は256256億円）億円）
 費用は1000
費用は1000億円（日本は ＡＬＭＡのサイエンス 宇宙マイクロ波背景放射の温度揺らぎのfine
宇宙マイクロ波背景放射の温度揺らぎのfine angularresolutionでの測定
resolutionでの測定
 宇宙初期の銀河や銀河群の熱いガスによって、背景放射がinverse comptonでたたかれる、
Sunyeav--Zeldovich効果
comptonでたたかれる、SunyeavZeldovich効果
 宇宙初期磁場による温度揺らぎ

 銀河団線(水素原子のhyper 赤方偏移した21cm赤方偏移した21cm線
水素原子のhyper--fineline)を測定するプロジェクト
line)を測定するプロジェクトより少し上程度 狙う周波数帯はFM狙う周波数帯はFMより少し上程度

数１００MHz
数１００MHz 高赤方偏移での中性水素の空間分布を細かい赤方偏移のbinごとに得る。
赤方偏移のbinごとに得る。
 その結果、銀河間物質がどのようにイオン化されてき 銀河形成
 赤方偏移した炭素、窒素、酸素などの輝線をsubmmで測定
赤方偏移した炭素、窒素、酸素などの輝線をsubmmで測定たか、すなわち初期天体形成の過程が明らかになる LOFAR: オランダ

 活動銀河核 ブラックホールからのジェットを測定

 星形成
 近傍の巨大分子雲（星のゆりかご）の構造を解析

 惑星形成 MWA アメリカ、オーストラリア
 21CMA/PAST 中国、カナダ
中国、カナダ

年頃の運用を目指している どれも2007
どれも2007年頃の運用を目指している 将来は、Square
将来は、Square Kilometer Array: SKA

 原始惑星系円盤の観測

 星間分子
 生命関連有機分子の探査

ＬＯＦＡＲ
 オランダのプロジェクト
 ２５０００個のアンテナを３５０ｋｍに展開
 ＩＢＭ BlueGeneで相関を計算する
 2007年に初期運用、2009年から本格運用

21CMA/PAST data
analysis
UeUe-Li Pen
Chris Hirata

Xiang-Ping Wu, Jeff Peterson

10Ulastai

SKA: Square Kilometer Array
Urumqi 150 km

42° 55’N 86°45’E

 ALMAの次の巨大プロジェクト
ALMAの次の巨大プロジェクト

elev 2600mより下
 周波数はALMA
周波数はALMAより下 1km2 collecting area: 100100-200 m口径の電波望
m口径の電波望Ustir station
Ground shield: 5000m mountains on allsides

SpaceでのCMB観測 PLANCK

遠鏡の数百個のステーション群
 国際協力：Europe,国際協力：Europe, the USA, Australia, Canada,China, India and South Africa
 $1000M
年か？
 早くて2020
早くて2020年か？

 Inflation Probe

CMB観測
観測
 Polarizationを中心としたPolarizationを中心としたCMB
 2020年？
2020年？

 ヨーロッパのプロジェクト ESA

 重力波成分：インフレーションに対する制限

 予算：約４００億円

 NASA/Beyond Einstein計画の一つEinstein計画の一つ

 2008年
2008年8月打ち上げ予定
 WMAPよりすぐれた角度分解能
WMAPよりすぐれた角度分解能
 l<800 → l<2000

polarization測定
測定
 WMAPよりすぐれた
WMAPよりすぐれたpolarization
 WMAPより多くのチャンネル：特に高い周波数領域
WMAPより多くのチャンネル：特に高い周波数領域
 Foreground(dustやForeground(dustやsynclotronなどの影響）の除去
synclotronなどの影響）の除去
 ALMAとの相補的関係
ALMAとの相補的関係

 サイエンス 宇宙論パラメターのさらなる高精度の決定
 Polarizationにより、宇宙再加熱、重力波成分などに制限
Polarizationにより、宇宙再加熱、重力波成分などに制限
 SZ効果による銀河団の探査
SZ効果による銀河団の探査

電磁波以外

その他の波長での観測計画
 Ｘ線
 NeXT（日本）
NeXT（日本）
 2011年打ち上げ
2011年打ち上げ
 1MeVまでをカバー、粒子加速などを調べる
1MeVまでをカバー、粒子加速などを調べる

 Constellations X
 ４台のＸ線望遠鏡の編隊飛行
 2011年頃打ち上げ
2011年頃打ち上げ
 High resolution XX-ray spectroscopy

 XEUS（国際協力）
XEUS（国際協力）
 ２０１５年が目標

 重力波
 地上
 Advanced LIGO LCGT (日本(日本)) スペース LISA（米欧）LISA（米欧）DECIGO DECIGO/Big Bang Observer

 検出器衛星とミラー衛星の編隊飛行

 γ線
 GLAST
 5 at 5？
5？

11

Beyond Einstein

NASAのNASAのroad map

日本の光赤外大型計画のRoad
日本の光赤外大型計画のRoad Map

理念無き
聖域無き
構造改革

世界最強の合衆国
は、最初に火星に人を送るのだ！

将来計画検討報告書「2010年代の光赤外線天文学」より2010年過ぎ2007年まで

3ｍ・6.5m
HOP
すばる
将来計画等

2015年より後12