⾼エネルギー天体物理浅野勝晃（⾼エネルギー天体グループ）

宇宙の歴史

宇宙の始まり：137億年前。宇宙のごく初期には、⼀つのスカラー場が⽀配していたと考えると整合的。このスカラー場が急激な宇宙の膨張、インフレーションを引き起こすと共に、量⼦揺らぎが天体形成の種を与える。

再加熱

スカラー場のポテンシャルEが散逸、様々な種類の粒⼦が⽣成。
⾮常な⾼温（1030K？）で、ほぼ全ての粒⼦は光速で⾶び回っている。
（ここまで10-32sくらい?）宇宙が膨張し、温度が下がってくると、エネルギー⼤部分は光⼦とニュートリノ、電⼦・陽電⼦が担う
ごくわずかの暗⿊物質とバリオンが混ざっている。

元素合成・物質優勢への移⾏

かすかすの量しかないバリオンは、数種の原⼦核へと落ち着く。暗⿊物質の⽅が多いことに注。
この頃はそもそも光⼦とニュートリノが⽀配的。

⾚⽅偏移3200、宇宙年齢7万年、温度8千Kくらい。

密度揺らぎの成⻑・天体形成

⾚⽅偏移1000の時代の密度揺らぎ
10-5程度しかない。

重⼒によって暗⿊物質が引き合い、徐々に密度揺らぎが⼤きくなる。バリオンもそこに落ち込んでいき、⽬に⾒える天体が形成される。
輻射優勢期はホライズンより⼤きなスケールだけ、ホライズンより⼩さなスケールでは、物質優勢期になって、密度揺らぎを成⻑させる。

初代星

分⼦雲
重⼒だけでガスを収縮させても、断熱的に温度が上がり、圧⼒で押し返される。ガスはH2分⼦を作り、電磁波の放射などでエネルギーを抜きながら、密度を上げていく。
分⼦雲は不安定で、分裂を繰り返すが、Heよりも重い元素の無い初期宇宙では、分⼦雲の温度が⾼く、⼤きな塊のまま進化。初代星は現在よりも⼤きな星が多かった？

恒星
ガス雲の中⼼で温度が上がってくると、核融合反応がスタート。エネルギーを⽣成し、星として光り出す。

星の進化・超新星爆発星の中ではどんどん重い元素が合成され、最も安定な鉄のコアが中⼼に残る。
さらに温度を上げると、鉄が光分解される。吸熱反応なので、圧⼒が下がり、コアが重⼒崩壊する。

中⼼に原始中性⼦星が⽣まれ、そこから放たれるニュートリノが周りのガスにエネルギーを与え、爆発。

中性⼦星・ブラックホール
中⼼に中性⼦星が残され、ガスは吹き⾶ぶ。
中性⼦星の限界質量は太陽の2倍程度。
それよりも重いコアを持つ場合は、ブラックホールが⽣まれると考えられている。

強重⼒の世界
半径R、質量Mの星からの脱出速度𝑣=回転するブラックホール

2𝐺𝑀
𝑅

⾓運動量

脱出速度が光速になってしまう半径
𝑅! =

𝑎<1

2𝐺𝑀 :シュワルツシルト半径𝑐"

これよりも⼩さな半径の星はブラックホールになる。
太陽質量なら3kmほど。

ブラックホールを特徴づける量は質量Mと回転パラメーターaのみ。

巨⼤ブラックホール

⾚⽅偏移〜7（宇宙年齢7.4億年）で既に太陽質量の約108倍のブラックホールが発⾒。
そんなに⼤きなブラックホールを如何にして作るか？
銀河の中⼼には太陽質量の106-109倍のブラックホールが鎮座。落ち込むガスが重⼒エネルギーを放ち、明るく輝く。相対論的速度のジェットを噴き出す場合も。

AGNジェット
⾃転するブラックホールの回転エネルギーを磁場を介して引き抜く

電磁場によるエネルギーの流れ⾼エネルギーの世界
⾼エネルギー：相対論的な世界

E = Γ𝑚𝑐 " ,Γ=11−

ローレンツ収縮 𝑙 =𝑣𝑐"

≫1𝑙#Γ
時計の遅れ Δ𝑡 = ΓΔ𝑡#

宇宙線

Γ>>1の原⼦核。最⾼エネルギー宇宙線は1020eVを超える。
⼈類が作れる加速器では到達できないエネルギー。

超新星残骸と宇宙線⽣成
1667年頃に爆発したCassiopeia A
距離：3.4kpc
膨張速度：4000-5000km/s
衝撃波による粒⼦加速シミュレーション〜2.3pc

合成イメージ
爆発による衝撃波が星間空間を伝播
衝撃波による粒⼦加速
⾼エネルギー粒⼦の⽣成e >> mec 2 , mpc 2

プラズマ波動による散乱

パルサー
パルサー

強磁場中性⼦星。周期1ms-1sで⾃転する半径10kmの⾼密度天体（〜1015g/cm3）。
規則正しいパルス放射。
典型的には1012G。中には1015Gまでにも達するものもあり、マグネターと呼ばれる。
QEDの効果が無視できない。

吸収係数（エネルギー𝜀の光⼦が単位距離進んだ時に電⼦・陽電⼦を作る確率）

中性⼦星連星合体

r-過程元素合成⇒不安定核（放射性元素）の⽣成

弱いガンマ線放射を伴う、中性⼦星連星合体

放射線を熱源として、可視光、⾚外、紫外線で光る。

明るさ（⽇）

中性⼦連星合体に伴う重元素合成
IodineGold

Thyroid hormoneUranガンマ線

広がった成分、パルサー、系外活動銀河ジェット
宇宙線がガスと衝突して放つガンマ線。電⼦が宇宙背景放射を散乱して作るガンマ線

ガンマ線バースト

宇宙最⼤の爆発現象
巨星の核がブラックホールに崩壊。
Γ>100の光速ジェットからガンマ線を放出。
最も明るいものの解放エネルギーは∼ 𝑀⊙ 𝑐 " に達する。

相対論的ジェットの運動エネルギーを如何にガンマ線へと転換するか？
衝撃波？磁場散逸？

放射過程
シンクロトロン放射

逆コンプトン散乱

典型的な光⼦のエネルギー e typ = g e 02

電⼦のエネルギー e = gme c23g 2eB
典型的な光⼦のエネルギーe typ =2mc
放射率

de 4
= cs Tg 2U Bdt 3

放射率

de 4= cs Tg 2U phdt 3

種光⼦が⾃ら放ったシンクロトロン光⼦⇒ シンクロトロン⾃⼰コンプトン
3K背景放射などの外部光⼦⇒ 外部コンプトン

電⼦・陽電⼦対⽣成g +g « e +e
-e-+s-channel

p1e+

p2
e+

k1

k2
ガンマ線バースト残光のスペクトル

e¢

eq in

放射過程
ガンマ線放射陽⼦起源放射陽⼦-陽⼦衝突p + p ® p + p +p
® p + n +p0p ®g +g0p ® µ +n µ

ニュートリノ放射++µ ® e +n e +n µ++(mπ=135MeV)+

他にもp +g ® p +p 0
® n +p +s pp @ 0.05s Tp 0 : p + » 1: 2という反応もある。
最⾼エネルギー宇宙線は3K背景放射とこの反応を起こし、100Mpcほど宇宙空間を漂っているうちにエネルギーを失う。

ニュートリノ
IceCube10%& − 10%' eV

南極にあるニュートリノ検出器
宇宙からそれなりの頻度で降り注ぐ。
起源は謎

観測量に対する相対論的効果(𝑐 − 𝑣)Δ𝑡𝑣Δ𝑡𝑐Δ𝑡
𝑡=0𝑡 = Δ𝑡𝑐−𝑣
Δ𝑡Δ𝑡=Δ𝑡9:; =Δ𝑡 ≃ < < Δ𝑡 =𝑐2ΓΓ

等⽅放射 ⽴体⾓ 4π⾓度のローレンツ変換µ '+ bµ=
1 + bµ '( µ = cosq )プラズマ静⽌系

Beaming

G1/ G
⽴体⾓ dW » 1 / G 2

観測量に対する相対論的効果

4p ELobs =@ G 4 L'dW Dtobs

Gq > 1/ G

明るい暗い綜合的な知の連携
宇宙の星形成の歴史⇒重いブラックホール連星の親星は？
そうした親星はいつ⽣まれたのか？
⼤昔でも起きている

急激に減少

星形成の歴史

ガンマ線バーストの発⽣率（ブラックホール形成史・重⼒波源綜合的な知の連携
天⽂学的知識は必須

ダスト

星

宇宙背景放射𝛾 + 𝛾 → 𝑒( + 𝑒)

ブレーザーのTeVガンマ線は吸収されているはず。
ブレーザーの放射機構と星形成史両⽅を同時に議論する。

⾼エネルギー天体物理の⽬標• 電波からX線・ガンマ線にいたる放射メカニズム• ⾼エネルギーまで粒⼦を加速するメカニズム• ブラックホールから噴出するジェットの⽣成メカニズム• 超新星爆発のメカニズム• 1020eVを超える最⾼エネルギー宇宙線の加速源天体• 天体からのニュートリノや重⼒波の放射• 暗⿊物質探査

学問体系
プラズマ運動論
放射過程・特殊相対論
輻射・ニュートリノ輸送
核融合
光分解

相対論的磁気流体・熱統計⼒学
⼀般相対論
古典・量⼦電磁気学
超流動
⾼密度核⼒⇒状態⽅程式
ストレンジクォーク？

天⽂学
宇宙論

まとめ• ⾼エネルギー天体物理は今最も熱い分野• 毎年のように新現象が発⾒され続けている• 多くの解かれるべき課題が残されている‒ ジェット加速‒ 粒⼦加速‒ 放射機構• ニュートリノ・重⼒波などの多粒⼦・多波⻑
観測の時代• 何か感じたら是⾮この分野に！
（理論家の卵も募集中→浅野 5階503号室）