関西で星を学ぶ会

天文宇宙講演2023/5/14

宇宙はどこまで解明されたか
相対性理論（時空の理論）
宇宙が膨張していることがわかるまで
宇宙にはじまりがあったことがわかるまで宇宙論の未解決問題（ダークマター，ダークエネルギー）

真貝寿明（しんかい ひさあき）
大阪工業大学 情報科学部 教授
武庫川女子大学 非常勤講師
理化学研究所 客員研究員
https://www.oit.ac.jp/is/shinkai/

関西で星を学ぶ会

天文宇宙講演2023/5/14

宇宙はどこまで解明されたか
相対性理論（時空の理論）
宇宙が膨張していることがわかるまで
宇宙にはじまりがあったことがわかるまで宇宙論の未解決問題（ダークマター，ダークエネルギー）

真貝寿明（しんかい ひさあき）
大阪工業大学 情報科学部 教授
武庫川女子大学 非常勤講師
理化学研究所 客員研究員
https://www.oit.ac.jp/is/shinkai/

相対性理論

相対性理論（特殊相対性理論）

Eは電場，Bは磁場
cは光速??
誰が測った光速???

光の速さは誰が測っても同じ，と考えてみよう
時間の進み方は，相対的だ．測定する人の運動状態によって異なる．

「時間と空間の概念」を変えた．

3

相対性理論

相対性理論（特殊相対性理論）

E = mc2３次元空間と時間をあわせて，4次元時空で物理を考える．
エネルギー保存則から，

E = mc2

質量はエネルギーと等価であることがわかる．
原子核反応によって，わずかな質量が莫大なエネルギーに変化する！

核融合

核分裂

(nuclear fusion)(nuclear Ission)

星が燃えるメカニズム，水素爆弾

原子爆弾，原子力発電
4

特殊相対性理論（1905年）

これまでの物理学を否定せず，拡張した理論！

特殊相対性理論
光の速さに近い場合の力学「時間の進み方は観測者によって異なる」

ニュートン力学F = ma5一般相対性理論（19１5年）

一般相対性理論
強い重力場での時空の力学「空間が歪むのが重力の正体である」

特殊相対性理論
光の速さに近い場合の力学「時間の進み方は観測者によって異なる」

ニュートン力学F = ma6一般相対性理論（19１5年）

ニュートン ： リンゴはなぜ落ちる？
重力があるからだ！

http://hikingartist.com/

すべてのものは，引力で引き合う（万有引力がある）と，考えることで解決！

7

一般相対性理論

空間のゆがみが重力の原因だ

光や物体は，まっすぐ進んでいるつもりでも，曲がって進む

重力を力ではなく，場として考える一般相対性理論（1915年）
1905年の相対性原理では，等速運動しか扱っていない．
加速度運動する場合の相対性理論はどうなるだろうか．

加速度運動する代表が重力のはたらきだ．
重力の正体はなんだろうか．

自由落下するエレベータ内では，重力がはたらいていることを感じない．
重力は局所的には消すことができるが，大域的には消せない．

重力の正体は，空間の性質だ

空間のゆがみが重力の正体だ一般相対性理論（1915年）

重力の正体は，空間の性質だ

空間のゆがみが重力の正体だ一般相対性理論が説明するもの
水星の近日点移動の問題（ルベリエ，1854）
100年で574秒ずれる．2250世紀で完全な「ばら模様」．
→→金星の影響で277秒，木星で153秒，地球で90秒，
その他の惑星で10秒分の説明が可能．
残りの43秒は？？？

重力の正体は，空間の性質だ

空間のゆがみが重力の正体だ

1915年，アインシュタインが，できたばかりの一般相対性理論を適用すると，「43秒の歳差運動」が出てきた．

一般相対性理論が予言したもの• 重力によってゆがんだ空間では，光の経路も曲がる• 重力によってゆがんだ空間では，時間の進み方は遅くなる．
• 強い重力のもとでは星はつぶれ続ける．
• 宇宙全体は動的でなければならない．
• 重力波が宇宙空間を伝わる

一般相対性理論が予言した「重力レンズ」• 重力によってゆがんだ空間では，光の経路も曲がる

1919年5月の皆既日食で太陽のすぐ近くにみえる星の位置が普段の位置とずれていた
重力レンズ効果として観測される▶

一般相対性理論が予言したもの• 重力によってゆがんだ空間では，光の経路も曲がる
皆既日食で確認された．重力レンズ効果としても観測される．

• 重力によってゆがんだ空間では，時間の進み方は遅くなる．
飛行機，人工衛星，地上での検証すすむ．

• 強い重力のもとでは星はつぶれ続ける．
ブラックホールの存在

100年経っても計測は無理

銀河中心のブラックホール• 宇宙全体は動的でなければならない．
膨張宇宙の発見

スカイツリー実験

ブラックホールのような特異点があるはずない

宇宙は未来永劫不変なもの

ビッグバン宇宙モデルの成功• 重力波が宇宙空間を伝わる
時空のさざ波の伝播
重力波観測

重力波なんて存在しないかも関西で星を学ぶ会

天文宇宙講演2023/5/14

宇宙はどこまで解明されたか
相対性理論（時空の理論）
宇宙が膨張していることがわかるまで
宇宙にはじまりがあったことがわかるまで宇宙論の未解決問題（ダークマター，ダークエネルギー）

真貝寿明（しんかい ひさあき）
大阪工業大学 情報科学部 教授
武庫川女子大学 非常勤講師
理化学研究所 客員研究員
https://www.oit.ac.jp/is/shinkai/天の川銀河 (our Galaxy)

http://shop.nationalgeographic.com/ngs/product/maps/wall-maps/space-maps/the-milky-way-map%2C-laminated
http://ernstgraphics.wordpress.com/page/2/

銀河団

http://shop.nationalgeographic.com/ngs/product/maps/wall-maps/space-maps/universe-map
http://tzontonel.wordpress.com/2008/12/12/national-geographic-8-ultra-high-resolutioned-maps/

宇宙図2018 http://www.nao.ac.jp/study/uchuzu2018/

宇宙論を考える大前提・スタートライン

宇宙原理(cosmological principle)

球対称時空として，3つのタイプが許される

開いた宇宙
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平らな宇宙

閉じた宇宙
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宇宙論を考える大前提・スタートライン

宇宙原理(cosmological principle)
球対称時空として，3つのタイプが許される

開いた宇宙

平らな宇宙

閉じた宇宙

アインシュタイン方程式を解くと，大きさが時間と共に変化する時空の解（フリードマン解）が出てくる

Friedmann, Robertson, Walker, Lemaitre (1920s)
完全流体，一様等方時空（球対称）でのEinstein方程式の厳密解
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宇宙論を考える大前提・スタートライン

宇宙全体は膨張・収縮する？
一般相対性理論（時空の方程式）を使って，3つのタイプを計算するすると，膨張したり収縮したりする宇宙の解になった








宇宙の大きさ



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


時間









宇宙は不変のもの，と考えていたアインシュタインは困った
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膨張宇宙モデル，現在考えられているのは？

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アインシュタインは膨張宇宙を信じなかった「宇宙は未来永劫不変であるべきだ」

定常的な宇宙モデルをつくるために，方程式を修正（宇宙項，cosmological constant）

重力（引力）作用に反対する斥力を導入
ただし，不安定なつり合いの解でしかない．
アインシュタインらしくない．
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アインシュタインは膨張宇宙を信じなかった「宇宙は膨張するのが自然です」(Lemaitre)「あなたの計算は正しいが（こんな解を信じるなんて）
あなたの物理的センスは言語道断だ.」(Your calculation is correct, but your physical insight isabominable.)

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25

宇宙膨張の証拠（１）ハッブル・ルメートルの法則（遠方天体ほど赤方偏移）
宇宙膨張の発見！
「遠方の星ほどドップラー効果で赤方偏移している」

H = 530 km/s/Mpc

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14X26距離の測定方法

距離の単位【赤方偏移，red shift parameter z】▶

光のドップラー効果から星の遠ざかり方を知り，宇宙膨張則から距離を測る

遠ざかるとき

近づくとき

音：低い音

音：高い音

光：赤方偏移光： 青方偏移真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

X27

光速を超えて遠ざかる遠方の銀河は見えない＝宇宙の地平線

光速を超えて遠ざかる遠方の銀河は見えない＝宇宙の地平線

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【なぜハッブルは遠方の星が赤い星ではなく，赤方偏移しているとわかったのだろうか】

原子模型
トムソン模型
1903

長岡模型
1903

ラザフォード模型
1909

問題点あり
「加速度をもって飛び回る電子は，電磁波を放射してエネルギーを失っていくはずなのに，何故回り続けていられるのか」
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Why?

29

水素原子から出る輝線
太陽光をプリズムに通すと連続スペクトルに分解されるが，．．．

水素原子

気体から発せられる光はいくつかの線スペクトルである

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Why?

30

水素原子から出る輝線

パッシェン(1908)

バルマー(1885)

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ライマン(1906)31

水素原子から出る輝線実験結果を式にすると，こうなった！

Why?

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32

ボーアの原子モデル

Niels Bohr
1885-1962

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

33

ボーアの原子モデル

Niels Bohr
1885-1962

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ボーアの原子モデル

Niels Bohr
Niels
Bohr
1885-1962
1885-1962

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p217
輝線スペクトル・連続スペクトル
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問題"

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太陽光のスペクトルに暗線（吸収線）がみられる理由は何か．

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/1436

星のスペクトル型 OBAFGKM
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問題

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遠方の星が赤方偏移していることから宇宙膨張が発見されたが，遠方（宇宙初期）には赤い星が多い，と考えなかった理由は何か．

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

37

アインシュタイン，膨張宇宙をついに信じる「宇宙項の導入はわが人生最大の過ちであった」(Introduction of cosmological constant isthe biggest blunder in my life)

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宇宙膨張はハッブルの発見か

Georges Lemaitre(1894-1966)

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関西で星を学ぶ会

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宇宙はどこまで解明されたか
相対性理論（時空の理論）
宇宙が膨張していることがわかるまで
宇宙にはじまりがあったことがわかるまで宇宙論の未解決問題（ダークマター，ダークエネルギー）

真貝寿明（しんかい ひさあき）
大阪工業大学 情報科学部 教授
武庫川女子大学 非常勤講師
理化学研究所 客員研究員
https://www.oit.ac.jp/is/shinkai/火の玉宇宙論の誕生
宇宙膨張が本当なら，過去は小さな宇宙だったはず．
宇宙のはじまりは，すべての物質とエネルギーが集まり，非常に高温で高密度の状態だったことになる．

ガモフ
1946年，ガモフ，「宇宙が高温高密度の火の玉の状態だったときに，短時間で元素が合成されていった」
1948年，αβγ，「高温高密度の宇宙初期に起
こる核反応で，すべての元素がつくられる」×1950年，宇宙初期はじめの3分間で，H, Heまで合成される．（林忠四郎）

Physical Review, 1948/4/1

しかし，当時の観測データからは，宇宙年齢は18億年
vs 地球の岩石からは，地球年齢は30億年
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ビッグバン宇宙論
火の玉宇宙論 vs 定常宇宙論「宇宙には始まりがあった」「宇宙に始まりも終わりもない」

宇宙誕生後，３分で軽元素の合成がされた

宇宙膨張をしていても新たに物質が生成していれば大丈夫

彼らは宇宙が大きな爆発(ビッグバン)
から始まったと言っている

ビッグバン，いい名前だ．
ビッグバン宇宙論，と呼ぶことにしよう

ガモフ
George Gamow(1904–1968)

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ホイルFred Hoyle(1915–2001)42

ビッグバン宇宙論
火の玉宇宙論 vs 定常宇宙論「宇宙には始まりがあった」「宇宙に始まりも終わりもない」

宇宙誕生後，３分で軽元素の合成がされた

宇宙膨張をしていても新たに物質が生成していれば大丈夫

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宇宙膨張の証拠（２）Cosmological Microwave Background Radiation (CMB)

宇宙背景マイクロ波背景放射（CMB）
黒体放射（黒体輻射）＝物体は，温度に応じて熱を電磁波の形で放射する

T = 5500[K]T = 5000[K]強度

T = 4500[K]T = 4000[K]T = 3500[K]2.0 ¥1014

4.0 ¥1014

6.0 ¥1014

8.0 ¥1014

1.0 ¥1015

1.2 ¥1015

1500

750

500

375

300

250

1.4 ¥1015

周波数[Hz]
波長[nm]

過去に宇宙が高温だったら，
その証拠の「放射」があるはず

宇宙誕生後，30万年ほど経つと，光がさえぎられずに直進できるようになる．その時の温度が放射されて残っているはず．
約3000 K

宇宙膨張で温度下がって５−７K 位

273 K (ケルビン) = 0℃; 0 K = -273℃
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X
44

宇宙膨張の証拠（２）Cosmological Microwave Background Radiation (CMB)

1964年，宇宙背景マイクロ波背景放射（CMB）の発見
Arno A. Penzias (1933‒)
Robert W. Wilson (1936‒)
ベル研究所，電波通信の実験「どうしても取り除けないノイズがある」「昼夜によらず，季節によらず，方向によらないノイズがある」1978年，ノーベル物理学賞受賞

宇宙誕生後，30万年ほど経つと，光がさえぎられずに直進できるようになる．その時の温度が放射されて残っているはず．
約3000 K

宇宙膨張で温度下がって273 K (ケルビン) = 0℃; 0 K = -273℃
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

５−７K 位

3.5K
X
45

Cosmological Microwave Background Radiation (CMB)

1964年，宇宙背景マイクロ波背景放射（CMB）の発見
ガモフがペンジアスとウィルソンに宛てた手紙

３Ｋの論文は素晴らしいが，初期の歴史の部分が完全ではありません．現在「火の玉宇宙論」として知られている理論は1946年の私の業績です．
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X
46

宇宙膨張の証拠（２）Cosmic Background Explorer (COBE)

1992年，COBE衛星によるCMBの測定

John C. Mather (1946–)
George F. Smoot III (1945–)

2006年，ノーベル物理学賞受賞

宇宙誕生後，30万年ほど経つと，光がさえぎられずに直進できるようになる．その時の温度が放射されて残っているはず．
約3000 K

宇宙膨張で温度下がって273 K (ケルビン) = 0℃; 0 K = -273℃
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

3.5 K

2.73 K
X
47

宇宙膨張の証拠（２）Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)

2002年，WMAP衛星によるCMBの測定

37万９000年
宇宙誕生後，30万年ほど経つと，光がさえぎられずに直進できるようになる．その時の温度が放射されて残っているはず．
約3000 K

宇宙膨張で温度下がって2.73 K 位

2.7251
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X48

小松英一郎氏のviewgraphより

1-/()830* $@#+A@!+A
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宇宙膨張の証拠（２）2013年，Planck衛星によるCMBの測定

38万年
宇宙誕生後，37万9000年ほど経つと，光がさえぎられずに直進できるようになる．その時の温度が放射されて残っているはず．
約3000 K 宇宙膨張で温度下がって2.7251 K 位

2.72548 0.00057 K
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X
51

宇宙膨張の証拠（3）水素，重水素の存在比の観測と理論が合う

http://chemreflux.blogspot.jp

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

X標準ビッグバンモデル：まとめ

標準ビッグバン宇宙論は正しい
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/1453

宇宙図2018

https://www.mext.go.jp/stw/common/pdf/series/diagram/uchuzu2018-ja_A3.pdf

宇宙図の見方

http://www.nao.ac.jp/study/uchuzu/rule.html

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/1455

宇宙図の見方

http://www.nao.ac.jp/study/uchuzu/rule.html

ルール1 宇宙を見ることは，昔を見ること
太陽は，8分ほど昔の姿．すばる（散開星団M45）は 400
年ほど昔の姿．遠くを見るほど，過去の姿をみている．
ルール2 見える宇宙と見えない宇宙がある
我々は「現在の宇宙」を見ることはできない．見えるのは，中央の「しずく」の部分．
ルール3 宇宙では，遠くの距離は要注意
我々が見える一番遠くからきた光は，「138億光年」先．
しかし，そのときに放たれた光源は，宇宙膨張によって，470億光年のかなた．

私たちに見える宇宙＝しずく形の表面．
宇宙がどうやって誕生したのか ＝ラッパ形の底の部分がどうなっているのか．
宇宙がどのように広がってきたか＝ラッパ形の表面の形はどうなっているのか．
宇宙は我々の宇宙だけか＝ラッパ形の向こうにも宇宙は他にあるのか．
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

56

宇宙図の見方

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/1457

宇宙図の大きさ 半径480億年

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/1458

関西で星を学ぶ会

天文宇宙講演2023/5/14

宇宙はどこまで解明されたか
相対性理論（時空の理論）
宇宙が膨張していることがわかるまで
宇宙にはじまりがあったことがわかるまで宇宙論の未解決問題（ダークマター，ダークエネルギー）

真貝寿明（しんかい ひさあき）
大阪工業大学 情報科学部 教授
武庫川女子大学 非常勤講師
理化学研究所 客員研究員
https://www.oit.ac.jp/is/shinkai/宇宙はどうやってはじまったのか．
宇宙に終わりはあるのか．
宇宙は何でできているのか．
宇宙の法則は何か．
宇宙にどうして我々がいるのか．
ダークマター問題
未知の物質？
ダークエネルギー問題
加速膨張の原因？
ダークエイジ問題
初代の星はどうやってできた？

ダークマターの問題（１）

見えていない質量が存在する

Vera C Rubin (1928--2016)

楕円銀河の回転速度は，「光る星の6倍以上の質量が存在する」
ことを示す．
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

61

ダークマターの問題（２）重力レンズによるダークマターの検出

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

62

ダークマターの問題（３）ダークマターの候補
天体物理学からのダークマターの候補
ブラックホール・白色矮星・中性子星
恒星進化の最後の姿だが，どの位存在するのかが未知．
褐色矮星・惑星

恒星へなれなかった小さな星．これも存在量が未知．

素粒子論からのダークマターの候補
ニュートリノ○微小な質量を持つことがわかっている×宇宙全体では量が不足，銀河形成モデルとも合致せず
ニュートラリーノ ○超対称性理論を仮定すれば自然に登場する粒子
×未発見．
アキシオン

温度ゼロの仮想の粒子

×未発見．

結局，不明のまま．
未知の素粒子は何か，に期待が高まっている
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

63

ダークマター探査実験：XMASS
未知の素粒子検出を目指す．
岐阜県神岡鉱山跡に，液体キセノン（約-100℃）タンクを設置．
直径10ｍ、高さ10ｍの水タンク
中央に１トン液体キセノン検出器を設置する

1トンの液体キセノンが642本の光電子増倍管で囲まれている
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/xmass/

ダークマター探査実験：XMASS
未知の素粒子検出を目指す．
岐阜県神岡鉱山跡に，液体キセノン（約-100℃）タンクを設置．
直径10ｍ、高さ10ｍの水タンク
中央に１トン液体キセノン検出器を設置する

1トンの液体キセノンが642本の光電子増倍管で囲まれている
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/xmass/

2011年より実験開始

2019年終了

【宇宙物理】「CDMS」（極低温ダークマター探索)
Cryogenic Dark Matter Search

http://cdms.berkeley.edu/Presentations̲and̲Papers/edu-poster.jpg

2013/4/16

【宇宙物理】

ダークマター候補「WIMP」の兆候を検出
Dark Matter Search Results Indicate First Hint of WIMP-like Signal

2013/4/16

米Texas A&M大学などの国際研究チーム「CDMS」（極低温ダー
クマター探索）が，宇宙全体の約4分の1を占めるとされる謎の物
質「ダークマター」の兆候を99.8%の確率 (3-sigma) で検出したと発表した．
「CDMS」は地下に設置された極低温装置を用い，ダークマターの候補の一つであるWIMP（Weak Interacting Massive
Particles: 弱い相互作用しか及ぼさない粒子）が検出器の結晶の原子にぶつかったときにわずかに揺れ動く「反跳」と呼ばれる現象の検出を目指してきた．以前米ミネソタ州に設置されていた検出器「CDMS-II」のデータ解析を進めたところ，軽量な（15GeV/C2以下）WIMPに対して感度の高いシリコンでこの反跳と思われる事象が3個見つかった，という．まだ，「偶然ではな
いかもしれない兆候がある」というレベルで，「発見」というの域ではない．
グラフは，WIMP粒子の質量として制限された領域を示す．

http://www.science.tamu.edu/articles/1052
http://arxiv.org/abs/1304.4279

ダークマター 発見か？

ダークマター 発見か？

諸説紹介

陽電子フラックスの観測データと理論モデルの比較(出所: AMS Collaboration)

国際宇宙ステーションISSにヨーロッパの研究グループが設置した
AMS（アルファ磁気検出器）が反陽子・陽電子を捉えたが，これまでのモデルでは説明できず，ダークマター由来のモデルだと合致する．
（2016年12月8日発表）

https://home.cern/about/experiments/ams
http://news.mynavi.jp/news/2016/12/13/047/

ダークマター

発見できず

諸説紹介

アムステルダム大学の研究チームは，天文観測衛星「フェルミガンマ線宇宙望遠鏡」が収集した宇宙ガ
ンマ線背景放射のデータを精密解析した結果，ダー
クマター粒子の存在証拠は見つからなかったと発表
した．（2016年12月28日発表）
http://news.mynavi.jp/news/2016/12/28/189/

全天観測から得られた銀河系外の宇宙ガンマ線背景放射分析データ．
銀河中心面を除いている．(出所: アムステルダム大学)

ダークマター 不要
ライデン天文台の研究チームは，宇宙における重力分布の測定データを分析し，「エントロピック重力理論(ヴァーリンデ理論)」と一致す
る結果を得たと報告した．ダークマターの質量を仮定しなくても，重力レンズ効果が説明できるという．（2016年12月22日発表）
http://news.mynavi.jp/news/2016/12/22/230/

諸説紹介加速膨張の問題（１）超新星爆発統計による宇宙の加速膨張の発見

超新星爆発＝燃え尽きた星の最後の爆発

SN1987Aの2007年の画像
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

71

【天文観望】

超新星は，数百年に一度，肉眼で観測されている．

72

「明月記」の天文現象について書かれた部分

藤原定家(1162-1241)は，陰陽師（天文博士）に調べさせた報告文をそのまま切り貼りした．

「明月記」の天文現象について書かれた部分

1⃣安倍清明の息子，安倍吉昌がSN1006を観測
2⃣清明の子孫（詳細不明）がSN1054を観測
3⃣清明の子孫（詳細不明）がSN1181を観測
藤原定家本人も見ている可能性あり

1⃣安倍清明の息子，安倍吉昌がSN1006を観測

SN 1006
7200光年．記録に残されている限り、歴史上で最も視等級が明るくなった天体（太陽と月を除く、-7.5等[1]）．
1006年4月30日から5月1日の夜におおかみ座領域に初めて出現したこの「客星」は、スイス、エジプト、イラク、中国、日本、そして恐らくは北アメリカの観察者たちにより記録されている．

SN 1006
Supernova Remnant

Image credit: Chandra, Hubble, and NRAO teams,
retrieved from heasarc.gsfc.nasa.gov.

2⃣清明の子孫（詳細不明）がSN1054を観測

かに星雲（Crab Nebula， M1, NGC1952）
おうし座にある超新星残骸，距離は7000光年．
超新星の出現当時は金星ぐらいの明るさになり，23日間にわたり昼間でも肉眼で見えた．夜間は後2年間も見えていた．

かに星雲（Crab Nebula， M1, NGC1952）
中心にある星は，パルサー（中性子星）で，1969年発見.
直径は約10km．光度は16等級．1秒間に30回という高速回転をしており，33msの周期で電波やX線を出し，また可視光線で星雲全体を照らしている．

3⃣清明の子孫（詳細不明）がSN1181を観測
藤原定家本人も見ている可能性あり

SN 1181
1181年8月4日から8月6日の間にカシオペヤ座で観測され始め，約185日間に渡って夜空に見えた．中国と日本の天文学者により8つの独立した文献に記録された．
12世紀のイギリスの科学者アレクサンダー・ネッカムがこの超新星に気づき，『Liber
Ymaginum Deorum』に記したといわれている．日本においては，吾妻鏡に「治承五年六月廿五日（1181年8月7日）庚午．戌尅．客星見艮方．鎭星色靑赤有芒角．是寛弘
三年出見之後無例云々．」とあり，他にも明月記や宋史などの史料に記録されている．

加速膨張の問題（２）超新星爆発＝スタンダードキャンドル
爆発のメカニズムは物理的に決まっている．どの超新星爆発もほぼ同じ質量の星が爆発するので，放出されるエネルギーも同じ．
爆発後の減光のしかたも同じ．超新星爆発ではカルシウムや鉄，ニッケルなど，重い元素がどんどん作られるが，その変化のしかたも同じになる．スペクトルから元素の構成比を観測することで，爆発後のどの時期に相当するのかもわかる．

観測される明るさから距離が正確に判定できる

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

81

加速膨張の問題（３）超新星爆発＝スタンダードキャンドル
超新星爆発が起きている距離を並べると宇宙が加速膨張していると考える方が，分布曲線がフィットする．

現在

7億年前

77億年前

for the discovery of the accelerating
expansion of the Universe throughobservations of distant supernovae.
2011年ノーベル物理学賞受賞

2011年，ノーベル物理学賞受賞
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

82

加速膨張の問題（４）加速膨張の原因は何か？
重力場の方程式 （一般相対性理論）
空間の曲がりがモノの運動を決めるモノがあると空間が曲がる＜モノの分布＞＜空間の歪み＞②アインシュタインの理論を修正する①斥力を及ぼす特殊な物質を考える．

膨張宇宙の解ダークエネルギー

修正重力理論我々は特殊な位置

ビッグバンモデル③フリードマン宇宙モデルの前提となった「宇宙原理」を疑う
真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14⓪観測結果を疑う

加速膨張の発見83

宇宙論パラメータの決定

COBE衛星 (1992), WMAP衛星 (2003), Planck衛星 (2013)

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

X84

宇宙論パラメータの決定

CMBの２点相関関数から宇宙論パラメータを決定する

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

X85

宇宙論パラメータの決定

CMBの２点相関関数から宇宙論パラメータを決定する

宇宙年齢は，
137.99億年 2100万年

正体不明のダークエ
ネルギーは，68.3％

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

X
86

膨張宇宙モデル，現在考えられているのは？

加速膨張？

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

87

宇宙の最期
ビッグクランチ
どこかで加速膨張が終わり，やがて重力が強くなって最期には再び収縮する．
ビッグバンの逆戻りとなって，すべてが再び融合する.
ビッグフリーズ，ビッグチリ
現在のまま宇宙は永遠に膨張を続け,すべての銀河が孤立し，やがて星は燃え尽きて温度ゼロ状態の「熱的な死」へ.
ビッグリップ
今後もますます加速膨張をつづけ，やがては時空自体が引き裂かれ，銀河も星も何も構造が残らない.

真貝寿明 「宇宙はどこまで解明されたか」 関西で星を学ぶ会 2023/5/14

88

Finaleより遠くまでこれからの宇宙論研究

より広範囲により詳細により広いエネルギー幅で

大気の窓
▶▶重力波

90

大気の窓

91

いろいろな波長で見た太陽

左列、上から順に、可視光（光球）、紫外線（低温コロナ）、X線（高温コロナ）。
右列、上から順に、光球面磁場、水素輝線（彩層）、コロナグラフ写真。
（BBSO、NASA、宇宙航空研究開発機構提供）

http://edu.jaxa.jp/materialDB/html/materials/advanced/chapter1/1_2/1_2_1_a.html
http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/ste-www1/naze/sun/sun52.html

92ハワイにある日本のすばる望遠鏡すばる（昴）
プレアデス星団

枕草子

229段

星は
すばる。ひこぼし。ゆふづゝ。
よばひほし、すこしおかし、
おだになからましかば、まいて星はすばるがいいわよね．彦星も．宵の明星も．
流れ星も少し趣があってオススメ．
尾を引かなければもっと良いのに（笑）

寒昴

季語【寒昴】（かんすばる）

冬昴

六連星（むつらぼし）

おうし座プレアデス星団の和名「昴」は1月24日深夜に南中するので「寒昴」と呼ばれ冬の季語．肉眼では六星と見えるので「六連星」ともいわれる．
『寒昴 天のいちばん上の座に』山口誓子

すばる望遠鏡 (SUBARU telescope)

ハワイのマウナケア山(4200m)
主反射鏡の口径が 8.2m
（一枚鏡で厚さ20cm，重さ22.8 トン）．

すばる望遠鏡 (SUBARU telescope)

SUMIRE (Subaru Measurement of Images and Redshifts)プロジェクトが進行中．宇宙の詳細な3次元マップを作成し，宇宙膨張やダークマターの分布などを明らかにする．
9億ピクセル・重量約4トンのカメラと，同時に数千の遠方銀河を観測できる分光器を製作・取り付け，数十億光年離れた銀河を観測して宇宙の起源に迫る．

【天文】

すばる望遠鏡，新型の超広視野カメラがファーストライト
Subaru telescope revised. First Light of HSC.

2013/7/30

超広視野主焦点カメラ Hyper Suprime-Cam (ハイパー・シュプリーム・カム, HSC) がファーストライト．
満月９個分の広さの天域を一度に撮影できる世界最高性能の超広視野カメラ．
独自に開発した 116 個の CCD 素子を配置し，計８億7000万画素を持つ巨大なデジタルカメラ．
アンドロメダ銀河のほぼ全体を１視野で捉えることに成功．すばる望遠鏡に当初から搭載されている
Suprime-Cam (シュプリーム・カム) では，アンドロメダ銀河の一部 (満月よりやや広い視野) をシャープに撮影できていましたが，HSC の登場により観測の効率がさらに大きく高まった．
http://www.naoj.org/Topics/2013/07/30/j̲index.html

【天文】

すばる望遠鏡，新型の超広視野カメラがファーストライト
Subaru telescope revised. First Light of HSC.

2013/7/30

すばる望遠鏡に搭載された HSC がとら
えたアンドロメダ銀河 M31 の姿。g r, i
バンドの画像が青、緑、赤色に対応し、それぞれ 10 分積分 (露出) です。(クレジット：HSC Project / 国立天文台)

http://www.naoj.org/Topics/2013/07/30/j̲index.html

【宇宙論】

すばる望遠鏡HSC3年目の観測報告：ダークマター分布2023/4/10

Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Cosmic Shear Power Spectra
もとの銀河

重力レンズ効果でゆがんで見える銀河

Subaru HSCの3年目のデータを解析した結果が報告された．
416平方度におよぶ深宇宙の銀河（約2500万個）とダークマター分布の結果は，従来の宇宙モデルの基礎に異議を唱えるものとなった．

過去

HSC-SSPで得られたダークマターの3次元分布の例
http://www.astroarts.co.jp/article/hl/a/12997̲darkmatter

現在

7B2B_KJ\_B^\J^NQSL?\YQ\JW˟BB?ˠB_\`Nc

2\NMS^˲CRN7B2LYVVJKY\J^SYX^NJWƔƔƔƔ

FSMN;JcN\˟͂˳MNQ ˳Q\Sdc˳SVSW͂ ˠS]MN]SQXNMOY\aNJUVNX]SXQLY]WYVYQc˰
>`N\VJZ]aS^RY^RN\WJTY\]_\`Nc]˟B3BB̾1>BB˳02C˳E8:8=6˳60<0˳EE3B˳N^L˱ˠ˰
CRN]_\`Nc]^J\^NMSX  JXMaJ]LYWZVN^NMSX  ˰
8X^RS]aNKSXJ\˳aNaSVVQS`N\N]_V^]O\YW^RNMJ^J^JUNX_X^SV0Z\SV ˟  MNQ ˠ˰https://hsc-release.mtk.nao.ac.jp/doc/index.php/wly3/

銀河密度分布100

【宇宙論】

すばる望遠鏡HSC3年目の観測報告：S8 不一致問題

2023/4/4

Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Cosmic Shear Power Spectra
2<1CN]^SXQȹ23<_]SXQB;J\QNBLJVNB^\_L^_\N˟;BBˠƔƔ

ɛ˲2V_WZSXN]]YOLY]WSL]^\_L^_\N^YMJc˰
ɆW˲4XN\QcMNX]S^cYOWJ^^N\˟SXLV˰MJ\UWJ^^N\ˠ˰

B^NX]SYX˺

<Y]^VJ\QN]LJVN]^\_L^_\NZ\YKN]˟aNJUVNX]SXQ˳QJVJbcLV_]^N\SXQ˳QJVJbcLV_]^N\]˳N^L˱ˠZ\NON\]WJVVN\BLYWZJ\NM^Y2<1˳SOaNJ]]_WNȹ23<S]LY\\NL^˰

B=>F<0BB  B_WWN\]^_Mc˲0KMJVVJN^JV˰˟ ˠhttps://hsc-release.mtk.nao.ac.jp/doc/index.php/wly3/

宇宙の物質密度とその分布集中度を乗じたパラメータS8は，宇宙モデルを議論するうえでの主要な６つのパラメータの１つ．
Planck衛星による宇宙マイクロ波背景放射の観測から得られた値と異なることがほぼ確定的になった．

https://arxiv.org/abs/2304.00701

101

【宇宙論】

アタカマ宇宙論望遠鏡：CMBからダークマター分布図

2023/5/2

The Atacama Cosmology Telescope: Mitigating extragalactic foregrounds for CMB lensing analysis
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機
構 (Kavli IPMU) が参加するアタカマ宇宙論望遠鏡(Atacama Cosmology Telescope； ACT) の国際共同研究グループは，2017年から2021年にかけて
宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) を観測したデータを用いて，CMB が我々に届くまでの間にどの程度，
重力レンズ効果の影響を受けているかを解析した．
そして，全天の約4分の1にあたる天域をカバーする
ダークマターの分布図を新たに作成した．
宇宙の大規模構造の成長の過程や最近の宇宙の膨張速度を見積もったところ，アインシュタインの一般
相対性理論に基づく宇宙の標準理論 (標準宇宙論) の予言値と一致しており，標準宇宙論の正しさを裏付ける結果となった．

CMBの重力レンズ効果から得られた新しいダークマターの分布
図．オレンジ色の領域はダークマターの質量が多いところ、紫色の領域はダークマターの質量が少ない領域を示す．このダークマターの分布は，奥行き数億光年にわたる．灰色と白で示された領域は，Planck衛星によって測定された天の川銀河のダス
トからの光で、 CMB 観測を妨げている領域を示す．

https://www.ipmu.jp/ja/20230502-ACT
http://www.astroarts.co.jp/article/hl/a/13025̲darkmatter
https://arxiv.org/abs/2304.05196

102

1-/
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未知の問題

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ダークエイジ

dark age

ダークマターdark matter

ダークエネルギー

dark energy

アメリカの22の大学・研究機関の共同プロジェクト．
チリの標高2660mの高さに建設．2024年観測開始予定．口径 8.4 m
当初はLarge Synoptic Survey Telescope（LSST）という望遠鏡名で呼ばれていたが、2020年に名称決定

Vera C Rubin(1928‒2016)

https://www.lsst.org

https://www.youtube.com/watch?v=9aQY6f1Bcpk

宇宙にある
ハッブル望遠鏡(1990‒)

ハッブル宇宙望遠鏡 Hubble Space Telescope (HST)

アメリカが1990年，宇宙空間に打ち上げた望遠鏡．
衛星は長さ 13.1m の筒型，重さは 11トン
反射望遠鏡の主鏡直径は 2.4 m ．
宇宙空間にあるため，大気の影響を受けず，鮮明な画像が得られる．

James Webb Space Telescope

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

2021年12月25日打ち上げ成功

James Webbは1960年代のNASA長官．アポロ計画を推進した

https://www.jwst.nasa.gov

James Webb Space Telescope

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

2021年12月25日打ち上げ成功

on click, 1’27”
https://www.youtube.com/watch?v=69uT90tEJdE

James Webb Space Telescope

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

First Image2022/7/12

Stephanʼs Quintet, a visual grouping of ﬁvegalaxies, is best known for being
prominently featured in the holiday classic
ﬁlm, “Itʼs a Wonderful Life.” Today, NASAʼs
James Webb Space Telescope reveals
Stephanʼs Quintet in a new light. This
enormous mosaic is Webbʼs largest image
to date, covering about one-ﬁfth of theMoonʼs diameter. It contains over 150
million pixels and is constructed fromalmost 1,000 separate image ﬁles. The
information from Webb provides new
insights into how galactic interactions may
have driven galaxy evolution in the early
universe.

https://www.nasa.gov/webbfirstimages

James Webb Space Telescope

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

First Image2022/7/12

NASA’s James Webb Space Telescope has
produced the deepest and sharpest
infrared image of the distant universe todate. Known as Webb’s First Deep Field,
this image of galaxy cluster SMACS 0723 isoverflowing with detail.
Thousands of galaxies – including thefaintest objects ever observed in theinfrared – have appeared in Webb’s view for
the first time. This slice of the vast universe
covers a patch of sky approximately thesize of a grain of sand held at arm’s length
by someone on the ground.

https://www.nasa.gov/webbfirstimages

James Webb Space Telescope

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

First Image2022/7/12

This landscape of “mountains” and “valleys” speckled with glittering stars is actually the edge of a nearby, young, star-forming region called
NGC 3324 in the Carina Nebula（カリーナ星雲，りゅうこつ座）. Captured in infrared light by NASAʼs new James Webb Space Telescope, thisimage reveals for the ﬁrst time previously invisible areas of star birth.

https://www.nasa.gov/webbfirstimages

James Webb Space Telescope

Astronomy Picture of the Day

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

2021年12月25日打ち上げ成功
https://apod.nasa.gov/apod/astropix.html

Star Forming Region NGC 3582 without Stars
2022/Sep 20
September Sunrise Shadows
2022/Sep 24

James Webb Space Telescope over Earth2021/Dec 26

Jupiter from the Webb Space TelescopeThis new view of Jupiter is illuminating. High-resolution infrared images of Jupiter from the new James Webb Space Telescope(Webb) reveal, for example, previously unknown diﬀerences between high-ﬂoating bright clouds -- including the Great Red
Spot -- and low-lying dark clouds. Also clearly visible in the featured Webb image are Jupiter's dust ring, bright auroras at thepoles, and Jupiter's moons Amalthea and Adrastea. Large volcanic moon Io's magnetic funneling of charged particles onto
Jupiter is also visible in the southern aurora. Some objects are so bright that light noticeably diﬀracts around Webb's optics
creating streaks. Webb, which orbits the Sun near the Earth, has a mirror over six meters across making it the largest
astronomical telescope ever launched -- with over six times more light-collecting area than Hubble.

https://apod.nasa.gov/apod/ap220830.html

Saturn in Infrared from Cassini
Many details of Saturn appear clearly ininfrared light. Bands of clouds show great
structure, including long stretching storms.
Also quite striking in infrared is the unusual
hexagonal cloud pattern surrounding Saturn's
North Pole. Each side of the dark hexagon
spans roughly the width of our Earth. The
hexagon's existence was not predicted, andits origin and likely stability remains a topic ofresearch. Saturn's famous rings circle theplanet and cast shadows below the equator.
The featured image was taken by the robotic
Cassini spacecraft in 2014 in several infraredcolors. In 2017 September, the Cassini
mission was brought to a dramatic conclusion
when the spacecraft was directed to dive into
ringed giant.

https://apod.nasa.gov/apod/ap220724.html

5．宇宙論 >> 5.3 インフレーション宇宙モデル

教科書 p172

インフレーション宇宙モデル
宇宙の初期に急激な膨張があった，と考える（インフレーション宇宙モデル 1981年）

インフレーション宇宙（A. Guth）
初期の宇宙は指数関数的膨張（佐藤勝彦）
115

相転移現象
冷蔵庫にいれていたペットボトルの水を出すと，一瞬で凍った．
＝ 過冷却現象
固体から液体へ＝相転移現象
phase transition

気体（気相）

水

氷
液体（液相）

横軸 φ は，状態を表す変数
縦軸 V(φ) は，エネルギー．
（下へ行くほど安定な坂道）

固体（固体相）116

過冷却現象 ＝ 相転移は同時に一様に生じるわけではない
冷蔵庫にいれていたペットボトルの水を出すと，一瞬で凍った．
＝ 過冷却現象117

自発的対称性の破れ
南部陽一郎（米国籍）（ノーベル物理学賞 2008）
素粒子物理学と核物理学における自発的対称性の破れの発見
for the discovery of the mechanism of
spontaneous broken symmetry in subatomic physics

気体（気相）

対称性の高い状態（平均すればゼロ）

液体（液相）

固体（固体相）対称性の破れた状態

インフレーション宇宙モデル

インフレーション膨張
偽真空

真の真空

インフレーションは
偽真空の泡の衝突で終わる．
超高温超高密度のビッグバンのはじまり

偽真空

5．宇宙論 >> 5.3 インフレーション宇宙モデル

教科書 p172

インフレーション宇宙モデル
宇宙の初期に急激な膨張があった，と考える（インフレーション宇宙モデル 1981年）

インフレーション宇宙（A. Guth）
初期の宇宙は指数関数的膨張（佐藤勝彦）
121

【天文】

2014年3月 宇宙背景輻射にBモードのゆらぎを発見！
→ インフレーション宇宙を確認!!

2014年6月

結論は尚早．他のグループでの確認必要．
122

Ｙの科学

Sの科学
physics

物理

mathematics

数学

astronomy

天文学

economy

経済学
生物学

statistics

統計学

biologygenetics

遺伝学

archaeology

考古学

anthropology

人類学

sociology
体系化の学問
対象物の性質を理論で説明

社会学

発見の学問
対象物を分類し記載

ブラックホール
相対性理論

膨張宇宙
重力波

重力波の話重力波の発生と伝播
ブラックホール連星や中性子星連星レーザー干渉計2015年9月14日

ブラックホール連星の合体によって生じた重力波だった重力波波形を音にすると．．．

はじめ2回は実周波数，後の2回は聞えやすいように+400Hz
https://mediaassets.caltech.edu/gwave

2015年9月14日

太陽の36倍と29倍のブラックホールが合体して，太陽の62倍のブラックホールになった．
3倍の質量が消失

E = mc
13億光年先2重力波の発生と伝播
ブラックホール連星や中性子星連星レーザー干渉計

典型的な振幅は 10-22連星中性子星合体

重力波検出，多くの天文台が同時観測
GW170817

KAGRA（かぐら：大型低温重力波望遠鏡）

131

KAGRA（かぐら：大型低温重力波望遠鏡）

132