天体物理学 I
4セメ 火曜3限田中 雅臣 (東北大学 天文学専攻)

自己紹介

1998-2001: 愛知県半田高校
2001-2005: 東京大学

田中 雅臣
愛知県出身 39歳
名古屋市生まれ、知多半島育ち

研究- 天文学・天体物理学- 観測・理論 (シミュレーション)- 宇宙における突発的現象の物理（超新星爆発や中性子星合体）- 宇宙における元素の起源

2005-2009: 東京大学大学院
2009-2011: 東京大学 Kavli IPMU
2011-2018: 国立天文台
2018- 現在: 東北大学

超新星爆発：星の大爆発現象

NASA/HSTこの講義の目標• 物理系全体• これまで勉強してきた物理を宇宙に応用して、宇宙の天体や天体現象の物理を大まかにつかむ• 物理を使って手の届かないものの性質を概算できるようにする• これから習う物理とその応用先を先取りして学ぶ• 天文学コース• 天体物理学の基礎を学ぶ

例：太陽太陽の明るさ= 4 x 1026 J/s (= W) = 4 x 1033 erg/s(C) JAXA/ISAS

x めちゃ明るい ==> 実感できるように概算
日本の一年の消費電力 = 2 x 1019 J = 2 x 1026 erg
日本が107 年 = 1000万年かけて使うエネルギーを1秒で放射

太陽はなぜこんなに明るいの？？
=> 物理を使って理解しよう

取り扱う対象• 太陽系、惑星• 太陽などの恒星• 中性子星、ブラックホール• 星間空間、星の形成
• 銀河
• 銀河団
•…

熱力学

統計力学

3セメ

5,6セメ

力学

電磁気学

1,2セメ

2,3セメ

宇宙物理学
天体物理学
流体力学

原子核物理学

4セメ

7セメ

量子力学

相対論

4,5セメ

4,7セメ

成績のつけ方• 期末試験 100%
• 試験は対面で行う予定• 自分で書いたノートとレポートは持ち込み可• レポート• テストの点数に少しだけ加算(昨年度の期末試験：加算なしの平均点54点)• 理解の助けになる簡単なもの• 実際に手を動かして計算してみる練習講義資料
h ps://www.astr.tohoku.ac.jp/~masaomi.tanaka/ap2022/

予習・復習- 板書した式の意味を追う- 実際の値を入れて計算してみる (実感する)- 参考書を読む (まだ全部は分からなくてもOK)

質問など

tt

- 講義中にどんどん質問してください- それ以外：Google Classroomで随時受け付けます(TA村井さん+田中)

Sec on 1.
宇宙のスケール
1.1 宇宙のスケール (長さ)ti

1.2 宇宙のスケール (質量)レポート課題 1a- 様々な宇宙のスケールを書き込んで、宇宙の対数定規を完成させる- 宇宙の大きさを実感するために、例えて説明してみる
例: 地球の大きさが1円玉ぐらいだったら、太陽は？太陽系は？銀河は？銀河団は？
* どう計算したかが分かるように書いてください！
* 単位に注意！！

102 103...

... 1028 cm

生活のスケール

101 102

宇宙のスケール

1028 cm

10 km = 106 cm

青葉山

半径10 km仙台駅

100 km = 107 cm

仙台
郡山

Google Map

1,000 km = 108 cm

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札幌

仙台

福岡

東京

Google Map

10,000 km = 109 cm

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距離東京

シカゴ

Google Map©2010 Google - 画像 ©2010 TerraMetrics, NASA, 地図データ ©2010 AND, Europa Technologies, Geocentre Consulting, Mapabc, SK M&C, ZENRIN -10,000 km = 109 cm「かぐや」が捉えた「満地球の出」

地球の半径＝6,400 km
月の半径＝1,700 km

10
10万km = 10 cm
火星から見た
地球と月
太陽の光

地球から月までの距離
38万km

NASA: Mars Reconnaissance Orbiter

11
100万 km = 10 cm
太陽半径~ 7 x 1010 cm

ひので衛星

12
13
1000万~1億km (10 -10 cm)•

地球から太陽までの距離 = 1天文単位
1億5000万km (1.5 x 1013 cm)
太陽の直径
約1011 cm
地球の直径
約109 cm

1410億km = 10 cm

太陽系の内側NASA JPL
JAXA

はやぶさ(総飛行距離 約50億km= 5 x 1014 cm)
500m

小惑星イトカワ1014 cm

木星
火星
地球
金星
水星

小惑星イトカワ15
100億km = 10 cm
ニューホライズンズ
2015年冥王星に到達

太陽系の外側1015 cm

NASA JPL

ニューホライズンズが捉えた冥王星の姿

半径1000 km ~ 108 cm

16
1000億km = 10 cm

太陽系最遠の天体
NASA JPL

小惑星セドナ(直径1800km)

太陽系

17
1兆 km = 10 cm

太陽系の「端っこ」
NASA JPL

18
10兆km = 10 cm ~ 1光年
11光年

8.6光年

4.4光年

4D2U

パーセク (pc): 天文学で使われる距離の単位1 pc: 「年周視差」が1秒角となる距離

遠くの星近くの星パーセク (pc): 天文学で使われる距離の単位
1 pc: 「年周視差」が1秒角となる距離
半年後
遠くの星近くの星パーセク (pc): 天文学で使われる距離の単位
1 pc: 「年周視差」が1秒角となる距離

太陽

距離 d
θ

r
r = dθ
地球

1 秒角 = (1/3600.0 x π/180) ~ 4.85 x 10-6ラジアン
d = r/θ = 1.5 x 1013 / 4.85 x 10-6 ~ 3.1 x 1018 cm ~ 3.3光年(3.085678 x 1018 cm)

1910 cm ~ 10光年

~ 3 pc

11光年

距離

8.6光年

4.4光年

4D2U

2010 cm ~ 100光年~ 30 pc

球状星団（数10万の星の大集団）
M13

2110 cm ~1000 光年 ~ 300 pc「銀河」
数千億個の星の集まり

アンドロメダ銀河

厚さ約1000光年(1021cm)

NASA地球から見る「銀河」

NASA

厚さ約1000光年(1021cm)

22
23
10 - 10 cm (1-10万光年)
銀河の直径約10万光年(1023 cm)

~ 30 kpc~ 2.5万光年~ 8500 pc = 8.5 kpc
太陽系NASA JPL

私たちの銀河を真上から見た想像図

24
10 cm ~100万光年~ 300 kpc

銀河群
(十数個の銀河の集まり)
NGC 7711
Kent Biggs

24
10 cm ~100万光年

約200万光年（2 x 1024cm）~ 700 kpc
距離

私たちの銀河アンドロメダ銀河

25
10 cm ~ 1000万光年~ 3 Mpc

銀河団

Virgo cluster

26
10 cm ~ 1億光年

~ 30 Mpc

距離超銀河団銀河系27
10 cm ~ 10億光年~ 300 Mpc

宇宙の大規模構造

4D2U

1028 cm ~100億光年~ 3 Gpc

最遠の銀河までの距離
約130億光年(1.3 x 1028 cm)

宇宙の「果て」宇宙の年齢
約138億年
NASA/ESA/P. Oesch

Sec on 1.
宇宙のスケール
1.1 宇宙のスケール (長さ)ti

1.2 宇宙のスケール (質量)太陽

太陽の質量は？
(C) JAXA/ISAS

レポート課題 1b- 様々な宇宙の天体をスケールと質量の2次元平面でまとめる
質量

銀河

太陽
地球系のスケール(天体の半径など)

まとめ• 宇宙のスケールは日常のスケールと大きく異なる• 概算をして、桁で感覚を掴むのが重要• そこではたらく物理の原理は地球上で分かっているものと全く同じ• 天体物理学：物理を使って宇宙の天体を理解する