理論懇シンポジウム「天文学・宇宙物理学の変遷と新時代の幕開」

平成時代における宇宙論の変遷と新時代への期待：個人的視点から
高エネルギー加速器研究機構
素粒子原子核研究所

松原隆彦
2019年12月27日
9:00-9:40＠国立天文台

平成元年 1989年• 総理大臣：竹下登 (-6/3)、宇野宗佑 (-8/10)、
海部俊樹• リクルート事件• 美空ひばり、千代の富士に国民栄誉賞• 「ザ・ベストテン」が終了

平成初期の研究室• プレプリント• 研究室や個人宛に郵送で送られてくる出版前の原稿• 毎日送られてくるプレプリントの番号とタイトルのデータをパソコンに打ち込むのがM1の仕事• 論文を書いたら大量のプレプリントをコピーして世界中に配る• 研究室の人が論文を書いたら、研究室総出でプレプリの封筒詰めと宛名貼りをするのを手伝う• 手に入りにくい雑誌に載った論文は、コピーを繰り返したプレプリの状態で回覧されていることがある• タイプライターのフォントが潰れて読めない、数式が手書きで読めない、、、

平成初期の研究室• 研究者間のコミュニケーションは手紙か電話• 電子メールが使われ始めていたが、使いこなしている人があまり多くなかったので当てにならない• 届かないことも当たり前• 国際雑誌へ投稿は船便かSAL便

平成初期の研究室• 計算機は十数名の研究室全体で１、２台。X端末かパソコンが部屋に一台ずつ。
• ノート型パソコンはあったが厚さ５センチ、高額かつ低性能• TeXが普及し始め、論文をTeXで書くようになる。
PlainTeX+physixx または LaTeX のどちらかを選ばされた。
• 修士論文をLaTeXで書いたが、ノートパソコンで100ページコンパイルするのに5分以上かかったため、1日に数度だけしかコンパイルしない。
• UnixマシンにつながったX端末でTeXを動かすとはるかに速かったが、先輩が優先して使うため、修士学生はめったに使えない平成初期の研究室• OHP• オーバー・ヘッド・プロジェクタ• トラぺ• トランスペアレンシー：OHPに投影させる透明のシートのこと, OHPシート• のちにプレゼンファイルのことを指すようになるが、違和感がある• トラペン• トラぺの言い間違いと思われるが、トラぺに書き込むペンのことかもしれない• スライド• 写真投影用のフィルムを紙で補強したもの• これものちにプレゼンファイルのことを指すようになるが、違和感がある宇宙論から見る平成の歴史• 平成元年 (1989)• CfA2 Great Wall が発見される• 平成2年 (1990)• COBE: CMBがほぼ完璧な黒体放射であることを発見• 平成4年 (1992)• COBE: CMBの温度ゆらぎを初めて発見• 平成8年 (1996)• Hubble Deep Fieldの最初のリリース• 平成10年 (1998)• Ia型超新星による加速膨張宇宙の発見 (宇宙項Λ 0)

宇宙論から見る平成の歴史• 平成11年 (1999)• BOOMERanG: CMB温度ゆらぎ中に音響振動を発見 (平均曲率K 0)• 平成13年 (2001)• 2dF銀河サーベイ: 質量密度パラメータ 0.25 (ΛCDMモデルの確立へ)• 平成15年 (2003)• WMAP: 全天CMB温度ゆらぎマップ (宇宙論パラメータの精密決定、宇宙年齢137億年 1%, 密度ゆらぎスペクトルns 0.96)• 平成15年 (2003)• Sloan Great Wallの発見• 平成16年 (2004)• DASI: CMBの偏光Eモードゆらぎを初めて発見

宇宙論から見る平成の歴史• 平成17年 (2005)• SDSS and 2dF: 銀河分布中にバリオン音響振動を発見 (cold dark matter+baryon）• 平成18年 (2006)• COBEを率いたG.スムートとJ.マザーがノーベル物理学賞を受賞• 平成22年 (2010)• Planck衛星: より詳しい全天CMB温度ゆらぎマップ（宇宙論パラメータの精密決定,ΛCDMモデルの精密検証）• 平成23年 (2011)• 宇宙の加速膨張の発見でS.パールマッター、B.シュミット、A.リースがノーベル物理学賞を受賞• 平成27年 (2015)• BICEP2が初期重力波起源のCMB偏光Bモードゆらぎを見つけたと発表も、翌年取り下げるという大騒ぎ

宇宙論から見る平成の歴史• 平成28年 (2016)• LIGO: 重力波の直接検出（強重力場における一般相対性理論の検証）• 平成31年 (2019)• 物理的宇宙論における理論的功績でP.J.E.ピーブルスがノーベル物理学賞を受賞

平成時代の宇宙論• 一言で言えば…
• 「ΛCDMモデルが確立した時代だった」

ΛCDMモデル• 平成が始まった頃、ΛCDMモデルを支持する理論家はあまりいなかった• 「宇宙項は美しくない」• ダークマターの存在はしぶしぶ認めざるを得ないが、その上にわけのわからない要素があって欲しくないちなみに２１年前、From: P.J.E.Peebles, “Is Cosmology Solved? An
Astrophysical Cosmologist’s Viewpoint” (1998)

現在

1998 → 2019oror

2019年ノーベル物理学賞• ピーブルス• 物理的宇宙論における数多くの理論的発見に対して• マイヨールとケロー• 太陽に似た星を周回する太陽系外惑星の発見に対して

物理的宇宙論とは• 物理学を用いて宇宙全体を理解しようとする研究分野

平成前• 平成前は、宇宙論といえば理論的な研究が主だった• 観測との定量的な比較は難しかった• １桁ぐらい違っていてもOK or 誤差が指数の肩に乗る• 10100, e3 2 (3~150)• 宇宙に関する定性的な進展が主• 等方的CMBの存在予言とその検出• ビッグバン元素合成• インフレーション理論の提案• ダークマター宇宙モデルの提案

一様等方宇宙からのずれ：ゆらぎと構造• Shane-Wirtanen catalog (1967, Lick observatory)

宇宙構造の定量解析• 多数の銀河位置から、銀河の群れ集まり方を定量化する方法の確立：相関関数 (東辻, 木原, Peebles,...)

コールド・ダークマター・モデルによる構造形成• 構造形成の宇宙論的数値シミュレーション (e.g., Davis,
Efstathiou, Frenk, White 1985)• “Cold dark matter (CDM) ＋ バイアス銀河形成モデル” が観測によって求めた相関関数を再現する•

CDMモデルとバイアス銀河形成• CDMシミュレーションの相関関数

銀河の相関関数• 銀河はCDM空間分布のバイアスされた探針（トレーサー）• “Biased structure formation”

DEFW 1985

ピーク理論• バイアス銀河形成を論ずるための理論的枠組み：• ピークの統計理論 (Bardeen, Bond, Kaiser and Szalay 1985)

図はPeacock 1998

CfA2 Great Wall の発見• Geller & Huchra 1989

COBE
• 宇宙マイクロ波背景放射の温度ゆらぎの発見 (1992)

2006 Nobel Prize超新星宇宙論：加速膨張の発見 (1998)

2011 Nobel PrizeCMBゆらぎ音響振動の発見• BOOMERanG (1999)

2dF銀河サーベイ (2001)• 銀河パワースペクトルから密度パラメータを正確に決定• 物質パワースペクトル中にバリオン音響振動を発見

WMAP (2003)• ％レベルでΛCDMモデルを検証• e.g., 宇宙年齢137億年

Sloan Digital Sky Survey (2000-)• Sloan Great Wall の発見(2003)• 銀河相関関数バリオン音響振動ピークの測定によるダークエネルギーへの制限 (2005)

2006年グーグル検索2019年グーグル検索Planck (2013-2018)

aLIGO (2016)2017 Nobel Prize• Gravitational wave as “the standard siren”

宇宙論に残されている大問題• ダークマターの正体• 宇宙の加速膨張の原因（ダークエネルギー）• インフレーションの有無、具体的機構• 密度ゆらぎの起源（量子ゆらぎと古典化）• 宇宙創世、量子重力（量子論と宇宙全体の関係）• 余剰次元の有無、時空間とは結局なにものか• 宇宙はひとつか？
か

複数あるならそれは検証可能

理論的現状• ΛCDMモデル以上の確実な知見は得られていないのが現状• 平成時代になってからΛCDMモデルを超える理論モデルが多数提案されてきたが、いまのところはまだ将来の検証待ち• ダークマターのさまざまなモデル• ダークエネルギーのさまざまなモデル• インフレーション理論のさまざまなバージョン• サイクリック宇宙モデル• ブレーン宇宙論• 非ガウス初期ゆらぎ• 修正重力理論• 原始ブラックホール• マルチバース理論•………

宇宙論の今後• 現在の宇宙論の理論研究は、素粒子論の現状に似ている、と言えないこともない• ΛCDMモデル

素粒子標準モデル• どちらも、基本的理論とは考えられないが、観測（実験）を定量的に説明するのには十分• それらを超える理論を構築するための観測的（実験的）手がかりを探ることが必要• より精密な観測の必要性

LSST (2020~)

HSC/PFS (2022~)

Euclid (2022~)

SPHEREx (2023~)

SKA (2024?~)

LiteBIRD (2025?~)WFIRST (2026?~)