観測的宇宙論の展望
known knowns

unknown
unknowns

known
unknowns

東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 須藤靖
理論天文学懇談会シンポジウム
15:15-15:55 2011年11月6日＠国立天文台

宇宙論の研究年表
1916

一般相対論

アインシュタイン

1917

宇宙定数の導入と静的宇宙モデル

アインシュタイン

1922

膨張宇宙の一般解の発見

フリードマン1929

宇宙膨張（ハッブルの法則）の発見

ハッブル

1931

宇宙定数導入の撤回

アインシュタイン

1948

ビッグバン宇宙モデルと元素合成理論

アルファー・ベーテ・ガモフ

1950

宇宙初期における陽子・中性子比の導出

林忠四郎

1965

宇宙マイクロ波背景輻射の発見

ペンジアス・ウィルソン

1967

銀河の2点相関関数の巾法則の発見

東辻浩夫・木原太郎

1975

世界初の大構造形成数値シミュレーション

三好和憲・木原太郎

1980

CfA銀河サーベイによる宇宙の大構造の発見

ゲラー・ハクラ

1981

インフレーション宇宙モデル

佐藤勝彦、グース

1985

冷たい暗黒物質による構造形成標準モデル確立

デイビス・エフスタチュウ・
フレンク・ホワイト

1992

COBE衛星による宇宙マイクロ波背景輻射の温度ゆらぎ発見

マーサー、スムート

1998

Ia型超新星を用いた宇宙の加速膨張の発見

超新星宇宙論グループ他

2003

SDSSによる銀河・クエーサーカタログ初期成果の発表

SDSS グループ（日本人メンバー13名）

2003

WMAP衛星による宇宙マイクロ波背景輻射温度地図の精密測定

WMAPチーム（日本人メンバー 小松英一郎）

観測的宇宙論の発見年表
1929 宇宙膨張（ハッブルの法則）の発見

ハッブル

1965 宇宙マイクロ波背景輻射の発見

ペンジアス・ウィルソン

1967 銀河の2点相関関数の巾法則の発見

東辻浩夫・木原太郎

1975 世界初の大構造形成数値シミュレーション

三好和憲・木原太郎

1980 CfA銀河サーベイによる宇宙の大構造の発見 ゲラー・ハクラ
1985 冷たい暗黒物質構造形成標準モデル確立

デイビス・エフスタチュ
ウ・フレンク・ホワイト

1992 宇宙マイクロ波背景輻射の温度ゆらぎ発見

マーサー、スムート

1998 Ia型超新星を用いた宇宙の加速膨張の発見

超新星宇宙論グループ他

2003 SDSSによる銀河・クエーサーカタログ初期成果の発表

SDSS グループ（日本人メンバー13名）

2003 WMAP衛星による宇宙マイクロ波背景輻射温 WMAPチーム（日本人メ度地図の精密測定ンバー 小松英一郎）

1978 Nobel Prizein Physics
Arno Penzias and RobertWilson
For the discovery of cosmic
microwave backgroundradiation

The Astrophysical Journal 142(1965)419

2006 Nobel Prize in Physics

John Mather and George Smoot2011 Nobel prize in Physics
 Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt andAdam G. Riess

 for the discovery of the accelerating expansion of theUniverse through observations of distant supernovaeハッブルの法則か、ルメートルの法則か？
Sidney van den Bergh: The curious case ofLemaître’s equation 24, arXiv:1106.1195
 宇宙膨張を発見したのは１９２９年のハッブルの論文(PNAS,15, 1929, 168)だというのが通説
 しかし、ルメートルの１９２７年のフランス語論文ですでに“ハッブル定数”が重みのつけ方によって625 あるいは575km/s/Mpcと計算されていた（この事実は一部ではよく知られていたらしい） この論文はその後MNRASに英訳されて、１９３１年に発表されているが、そこでは、ハッブル定数の計算に関する式の一部と、本文および脚注がすっぽりと抜け落ちている
 これは単なるミスではあり得ないが、誰が何のためにやったのかは不明

英訳版では削除されている箇所 (1)英訳版では削除されている箇所 (2)英訳版では削除されている箇所 (3)後退速度・距離関係の比較
ルメートル(1927)
575km/s/Mpc

ハッブル(1929)
530km/s/Mpc

Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissantrendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques, l’Abbé G. Lemaître Annales de la Societe
Scientifique de Bruxelles, A47, pp.49-59 : A homogeneous
universe of constant mass and increasing radius accounting
for the radial velocity of extra-galactic nebluae, MNRAS
91(1931)483

Stigler's law of eponymy
No scientific discovery is named after its
original discoverer (1980 by University ofChicago statistics professor Stephen Stigler) Aharonov-Bohm effect, Alzheimer's disease, Bode's
Law Cardano's formula, Curie point, Dyson spheres
Euler's number, Euler's formula, Fermi's golden
rule, Gauss's Theorem, Gaussian distribution,
Halley's comet, Hubble's law, Kuiper belt, Snell'slaw of refraction, Stigler's Law, attributed by

Stigler himself to Robert K. Merton,Wheatstone bridge, Yagi antenna最近20年間の観測的進展
ダークマターの存在の確立
 超新星1987Aからのニュートリノの検出
 ニュートリノ天文学
 太陽系外惑星の発見
 ガンマ線バーストの宇宙論的天体説の確定
 超新星を用いた宇宙の加速膨張の発見
 ダークエネルギーの存在／一般相対論の限界？
 広域銀河３次元地図作成と遠方銀河の地平線拡大
 スローンサーベイ、ハッブル望遠鏡、すばる望遠鏡
 宇宙マイクロ波背景輻射による精密宇宙論
 標準ダークマターモデル（インフレーションによるゆらぎ、冷たいダークマター、ダークエネルギー）


宇宙の起源

残された課題と謎

 素粒子物理学・量子重力理論の進展に依存

ダークマターの直接検出 天文学から高エネルギー物理学実験へ

ダークエネルギーの性質の解明
 宇宙の加速膨張の起源

重力波の直接検出 一般相対論の検証から新しい天文学の窓へ高エネルギー宇宙線の起源
 粒子加速機構の解明、粒子線天文学の開拓



超新星爆発・ガンマ線バーストのメカニズム
 大質量星進化の最終段階の理解

第一世代天体の発見・起源・進化
 宇宙の果てを見通す、天体の起源、元素の起源

恒星・惑星の起源
 星・惑星・コンパクト天体の形成と進化

地球型系外惑星の発見から宇宙生物学へ
 第二の地球、生命・文明の起源、生物の普遍性（天文学）研究スタイルの必然的進化：
太陽系外惑星探査を例として今はどの時期なのかを見極めることが本質
地上からの系外 スペースからの 系外惑星上の生命惑星探査
系外惑星探査 探査
紀元前
山師、先駆者～１９９５年 ハイリスク
・ノーリターン

荒唐無稽
ハイリスク
・ノーリターン

論外：
危ない人々、十分成功して失うものがない人

１９９５年
ゴールドラッシュ 立案～２００９年 ハイリスク
ハイリスク
・ハイリターン・ハイリターン

荒唐無稽
ハイリスク
・ノーリターン

２００９年
定着～ ２０xx年 ローリスク
・ハイリターン実現
ローリスク
・ハイリターン立案
ハイリスク
・ハイリターン

２０xx年～

定着
ローリスク
・ローリターン実現？
ローリスク
・ハイリターン？

統計を稼ぐ
ローリスク
・ローリターン

ブレイクスルー
１９９５年
系外惑星発見
２００９年
系外惑星専用
衛星Kepler
打ち上げ
２０XX年
ハビタブル惑星発見???

Astro2010: decadal survey
Cosmic Dawn
 New Worlds
 Physicsof the UniverseAugust 13, 2010

http://sites.nationalacademies.org/bpa/BPA_049810

The Science Frontier:discovery areasand principal questions (1) Discovery areas Identification and characterization ofnearby habitable exoplanets 第二の地球
 Gravitational wave astronomy
重力波天文学 Time-domain astronomy 突発・激変天体
近地球接近天体 Astrometry 銀河系・宇宙の精密測量
 The epoch of reionization 宇宙の再電離

The Science Frontier:discovery areas and principal questions (2)Questions: How did the universe begin?

 What were the first objects to light up the universe andwhen did they do it?
 How do cosmic structures form and evolve?
 What are the connections between dark and luminous
matter?
 What is the fossil record of galaxy assembly and evolution
from the first stars to the present?
 How do stars and black holes form?
 How do circumstellar disks evolve and form planetarysystems?
 How do baryons cycle in and out of galaxies and what dothey do while they are there?
 What are the flows of matter and energy in thecircumgalactic medium?

The Science Frontier:discovery areas and principal questions (3)Questions: What controls the mass-energy-chemical cycles withingalaxies?
 How do black holes work and influence theirsurroundings?
 How do rotation and magnetic fields affect stars?
 How do massive stars end their lives?
 What are the progenitors of Type Ia supernovae and howdo they explode?
 How diverse are planetary systems and can we identify
the telltale signs of life on an exoplanet?
 Why is the universe accelerating?
 What is dark matter?
 What are the properties of the neutrinos?
 What controls the masses, spins and radii of compact
stellar remnants?

Dark matterand dark energy:
21st century clouds
over the universe?
http://www.physics.gla.ac.uk/Physics3/Kelvin_online/clouds.htm

 Lord Kelvin @ Royal society on April 27, 1900
 beauty and clearness of theory wasby two clouds

overshadowed Dark matter and dark energy in the 21st century
 Two dark clouds in astronomy?

→ No !
 Two probes of new physics? → Yes (hopefully)アメリカを代表するかつての哲学者かつ詩人:
ドナルド・ラムズフェルド第21代国防長官

2003年『やさしい英語普及運動』から、『関係代名詞や従属節を多用し、なおかつ接続詞の乱用による長いセンテンスを使用した、わかりにくい英語の演説、発言』をすることを顕彰して『フット・イン・マウス(意味不明な迷言)賞』受賞

Observational signatures of dark matterFlat rotation curvesof galaxies

Multiple images ofquasars due togravitational lensingBullet clusters

Gravitational lens
SDSS J1004+411223http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2006/23/

QSO at 10 billion
light years away
Galaxy cluster at 6 billion lightyears away

Gravitational lens
SDSS J1004+4112 ：general relativistic mirage

24

Bullet cluster (1E 0657-56)

Implies collisionless dark matter
Hydrodynamical merger simulation

red： baryon gas
blue： collisionless dark matter

Head-on collision of two galaxy clusters

Dark matter passes through, and gas interacts, shock-heated and emits X-ray

Dark matter:from astronomy to physics
 Astronomical observations unambiguously

proved the existence of dark matter

Astronomy does not require any specific form ofLagrangian of dark matter particles
 From unknown unknowns to known unknowns
 On-going/up-coming physics experiments will

identify the elementary particle responsible fordark matter in the universe
Particle physics will specify the Lagrangian From known unknowns to known knowns
Are there any unknown unknowns that
distribute homogeneously in the universe ?
 Objects are usually identified only throughdifferential measurements

 Visible matter: contrast between dark and brightregions
 Dark matter: spatial clustering dynamically andgravitationally traced by visible stars, galaxies
and quasars
 Is it possible to identify the existence of ahomogeneously distributed component ?
 differential measurements in time domain(cosmic acceleration, structure growth)Expanding the expanding universe

Expand the “size” of the universeda
1 d 2a2a ( t ) = a ( t0 ) +( t − t0 ) +( t − t0 ) + L
22 dt tdt t00 current size:a( t0 ) ⇔ the value itself has no physical meaning
 current expansion rate: the Hubble constant⇔ unpredictable: basicallydetermined by the initial condition(can be either negative or positive)da / dt
H0 ≡a t0

 current acceleration rate: the deceleration parametera d 2a / dt 2q0 ≡ −( da / dt ) 2 t0

⇔ related to the cosmic energy
density via the Einstein eq.
(should be positive)

Universe should not be accelerated !
Newton’s inverse square law

d aGM ( < a )G ⎛ 4π 3 ⎞4πG=−=− 2⎜
ρa ⎟ = −ρa < 0223dtaa ⎝ 3⎠2

Einstein’s general relativity

d a4πG=−( ρ + 3 p + ρ DE + 3 pDE )a2dt
32

 Pressure contributes to gravity

 Negative pressure required for acceleration
 Cosmological constant: pDE=-ρDE More generally, dark energy: pDE=wρDE with w<-1/3General relativity is inaccurate at cosmologicalscales ? (modified gravity theories)

Cosmic acceleration vs. dark energy

Size of theuniverse

Implies something unknown !
cosmicacceleration

Universal repulsion?
Cosmological constant?
Dark energy?
Modified gravity?

SN Ia
CMB

13.7 Gyrtime

Composition of the universe
known knowns

unknown
unknowns

known
unknowns

atom  ordinary matter
makes up merely 5(baryons) percent
dark matterdark energy galaxies and clusters are
surrounded by invisible mass anorder-of-magnitude more massive
than their visible part

 even more exotic component !
 homogeneously fills the universe (unclustered component) repulsive force (negative pressure; P=‐ρ?) Einstein’s cosmological constant ?
 or just an illusion …

Observational signatures ofdark energy

cosmic acceleration
 geometry of the universe
 evolution of structure 4 major probes Supernova Hubble diagram
 Cosmic Microwave Background Gravitational lensing (galaxy imaging survey)
 Baryon Acoustic Oscillation (galaxy redshift survey)

RｔStandard ruler: baryon acousticoscillation (BAO) lengthSound horizon length at recombination（≒cs×0.37Myr）

rs=147 (Ωm h / 0.13)
2-0.252(Ωb h / 0.024)-0.08

Estimate the distance to the CMB last-scattering
surface using the above as a standard rulerMpc

Acoustic oscillations detected
CMB photons
WMAP 3yr(Spergel et al. 2007)

z=0.4

Eisenstein et al.
(2005)

z=1000

SDSS galaxy
correlation function

rs = 147( 0.13 / Ω m h )2 0.25( 0.024 / Ω b h )2 0.08Mpc

Required accuracy of the BAO
scale measurement to constrain w
 3% accuracy ofw requires todetermine BAO
scale at z=1
within <1%⇒ Needs
bigger surveys
of galaxies

Nishimichi et al. (2007)

Sub-percent level accuracy is demanding
even for theoretical templates
 Best analytic model of nonlinear gravitational
evolution: Taruya et al. (2009,2010,2011)
× N-body simulations

International Research Network for Dark Energy(JSPS, core-to-core program 2007-2012）
Princeton U.
Dept. ofAstrophys. Sci.
coordinator
Edwin Turner
CMB
Gravitational lensBaryon oscillation

Edinburgh U.
Royal Obs.
coordinatorJohn Peacock

DENET
Univ. of Tokyo
Res. Center for the
Early Universe
coordinator
Yasushi Suto
TohokuUniv.
Hiroshima
Univ.
Nagoya
Univ.

NAOJ
Kyoto
Univ.

Institutd’Astrophysiquede Pariscoordinator
Jerome Martin
Modified gravity
Extra-dimension
backreaction

Theoretical model
Baryon oscillation
Weak lens mapping38

Galaxy survey project: SuMIReSubaru Measurement of Imaging and Redshift of the universe
 PI: Hitoshi Murayama (director of IPMU,U. of Tokyo) Japanese Institutes in charge: IPMU, The

University of Tokyo, NAOJ,,, Imaging survey with HSC (Hyper-Suprime Cam) Japan + Princeton + ASIAA (Taiwan)

 Spectroscopic survey with PFS (PrimeFocus Spectrograph) Japan + US, Taiwan, France, Brazil,,,

HSC: Hyper-Suprime Cam
Japan+Princeton+ASIAA (2012-2016)
 Imaging galaxy survey (1.5deg FOV)

g,r,i,z,Y 200 nights for 1500 deg2 wide survey for weak lensing
 100 nights for deep surveys of galaxies

Presented at DENET-Princeton conference (2009) by Satoshi Miyazaki (NAOJ)PFS: Prime Focus SpectrographJapan+ (2016-2020 ???)
 Spectroscopic galaxy survey (1.3deg FOV) 2500 fibers, 10000 galaxy redshifts a night BAO, galactic evolution, Galactic archaeology
JPL/Caltech WFMOS
design on Subaru

presented at DENET summer school (2009)by Mike Seiffert (JPL/Caltech)

Courtesy ofMasahiro Takada (IPMU)

Dark energy research is goodor bad for astronomy ?
Fundamentalist physics: why dark energy is bad for astronomy
Simon D.M. White, astro-ph/0704.2291

 Fundamentalist: high-energy experiments
 Pursuit of a single truth (LHC, WMAP) Huge international collaborations

 Universalist: astronomical observations
 Multi-purpose (Hubble Space Telescope, SDSS) Relatively small groups Different culture, personal perspective

and/or preference, a matter of taste

Two very successful
but quite different
projects in astronomy
HST (universalist)

WMAP (fundamentalist)

Simon D.M. White: astro-ph/0704.2291

Which is happier,the town mouse or
the country mouse ?
Town mouse ?

Country mouse ?

Large Hadron Collider
experiments

Desk-top experiments

High-energy physicists

Amateur astronomers

Germany in EU

Greece in EU

dark energy
cosmology

extrasolar planet
hunting

Towards bigger science or downsizing ?

Nightfall: We didn’t know anything(Alisa Haba)

no “night” on “Lagash” except the total eclipse due
to another inner planet every 2049
yearsby Alisa Haba
Illustration
 People realized the true world for the first timethrough the darkness full of “stars”
Hopefully soon, we will recognizethat we didn’t know anything!
known knowns
known
unknowns

unknown
unknowns
Ancient Indian picture

Our current-best pictureof the universe

Have we made progress at all ?

<PI>≒1 の法則? (Suto 2011) P: probability that a discovery/hypothesis

is correct I: impact that the discovery/hypothesis
has on science if it is correct
 <PI>: expectation value of the impact ofthe discovery/hypothesis ほとんどの発見あるいは仮説は、インパクトが強いものほど怪しい（大発見が何の前触れもなくいきなり登場する可能性は極めて低い）<PI>≒1 の法則の具体的例


宝くじは1等であれ、ハズレであれ戻ってくるお金の期待値はさほど違わない
I=1億円/300円、P=1/1000万
 宝くじ末等： I=300円/300円、P=1/10
 宝くじ一等：

研究もまた同じ、超大ホームランと地道な積み重ねも科学に与えるインパクトの「期待値」はさほど変わらない 本当ならば物理の歴史を塗り替えるがとてもありそうにない（I≫1 & P≪1）
 超光速ニュートリノ、ブレインワールド、余次元、素粒子的宇宙論のほとんどの研究、SETI、、、
 確実であり地道な研究が大事だが、だからといってそのどれか一つだけが科学的ブレイクスルーを生み出すわけではない（I～1 & P～1）
 銀河サーベイデータ解析、摂動論、観測的宇宙論のほとんどの研究、、、

<PI>≒1 の法則から学ぶべきこと

心しておくべきこと： いくらＰが小さくとも、宝くじに当選している人は毎回必ず存在する
 購入者数Nが、1/P以上であるおかげ

どれほど怪しげな研究であっても、研究者人口が多ければ、そのなかのどれかは正しく大きなインパクトを与え得る
 一等宝くじ的研究（一部の個人プレーによる牽引） 素粒子的宇宙論の研究者数が多いことの必要性



個々の研究は地道でも、多数で進める事で大きな成果をあげるスタイル
 末等宝くじ的研究（コミュニティーが一丸となって牽引） 観測的宇宙論の研究者数が多いことの必要性

どちらを選ぶかは、若い皆さんの考え次第