宇宙論とは？

(1)

現代宇宙論の最前線

小松英一郎

(マックスプランク宇宙物理学研究所 / 数物連携宇宙研究機構)

「暗黒宇宙の謎に迫るー宇宙創成、そして惑星・生命誕生」

日本科学未来館, ２０１２年１２月２日

(2)

(3)

• 宇宙の起源

–宇宙はどうやって始まったのか？

–産まれたての宇宙はどんな状態だった？

• 宇宙の歴史

–宇宙は何歳？

–幼少期、青年期、壮年期、晩期（？）の宇宙の状態は？

• 宇宙の組成

–宇宙は何からできているのか？

–物質やエネルギーの起源は？

宇宙論とは？

3

(4)

確かな観測事実

•

^{宇宙は膨張している！}

•

１９２９年、エドウィン・ハッブル

•

昔の宇宙は熱かった！（ビッグバン理論の証明）

•

１９６５年、アーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソン

•

１９９０年、宇宙背景放射探査機（COBE）チーム

•

初期宇宙は揺らいでいた！

•

１９９２年、宇宙背景放射探査機（COBE）チーム ₄

(5)

From “Cosmic Voyage”

(6)

驚愕の観測事実

•

^{現在の宇宙は}

加速

^{膨張している！}

•

１９９８年、超新星宇宙論プロジェクトチーム

•

１９９８年、高赤方偏移超新星探査チーム

•

２００３年、ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機

（WMAP）チーム

6

(7)

宇宙の組成

27%

73% 物質

暗黒エネルギー

宇宙の 73 パーセントは、

物質ですらない

不可思議なエネルギーで満ちている！

7

(8)

物質と宇宙膨張

• 物質のない、空っぽの宇宙はどのように膨張する？

–答：膨らむ速さが一定のまま膨張する。

• 物質のある宇宙はどのように膨張する？

–答：物質の重力に引っ張られ、速さはだんだん遅くなる。

• 物質のありすぎる宇宙は、いずれつぶれてしまう。

–火の玉宇宙に逆戻り！

ビッグバンビッグクランチ

Big Bang Big Crunch

8

(9)

加速膨張する宇宙

• 物質のある宇宙はどのように膨張する？

–答：物質の重力に引っ張られ、速さはだんだん遅くなる。

• しかし、観測は宇宙膨張がどんどん速くなっていると示している。

–その原因は、物質ではあり得ない。

–“暗黒エネルギー”の存在？

ビッグバン Big Bang

9

(10)

リンゴを投げ上げる事を想像してみよう

10

(11)

(12)

(13)

暗黒エネルギーは実在する

• 暗黒エネルギーは宇宙の膨張を速くする

• その存在は、宇宙の膨張速度の測定から明らかになった

13

(14)

標準光源法

• 明るさのわかっている天体を使って距離を測る方法

^つか ¹⁴

(15)

標準光源法

• この方法を超新星につかえば、何十億光年も先の宇宙膨張を測定できる！

遠い

15

(16)

超新星が思ったより暗く見えた

•

暗い＝遠い＝宇宙が大きい

＝膨張が速い＝加速膨張！

暗い明るい

後退速度（キロメートル毎時）

3000 30000 300000

加速膨張等速膨張減速膨張

16

(17)

1998 年の大発見

• 超新星が、予想よりもずっと暗かった

• つまり、宇宙の膨張が予想よりもずっと速かった

• ^{加速膨張！}

¹⁷

(18)

大問題

• 宇宙の加速膨張が何で引き起こされているか、まだ全くわかっていない

• わかっているのは、「物質では不可能」ということだけ

• 天文学・物理学最大の難問といわれている

¹⁸

(19)

暗黒「エネルギー」？

•

暗黒エネルギーと物質の違いは、その圧力にある。

•

宇宙膨張を加速するには、圧力がエネルギー密度と同じくらいの大きさであり、なおかつ負でなくてはならない。

• ^{負の圧力！}

それが暗黒エネルギー。どれくらい負かと言うと、W＝（圧力）／（エネルギー密度）と書いた時、W〜−１。

19

(20)

暗黒エネルギーの正体を探る

•

暗黒エネルギーは正体不明。とりあえずできる事と言え

ば、Wの値を正確に測り、その時間依存性を見てみる事。

現在の制限はW=–1.00±0.19 そして Wの時間微分=0.11±0.70

20

(21)

ビッグリップ

(Big) (Rip)

21

(22)

暗黒エネルギーで引き起こされる

（かもしれない）

宇宙の破滅的未来

₂₂

(23)

Big Rip

•

^W^{が決める宇宙の未来}

•

^W=–1:単位体積中にある暗黒エネルギーの量は時

間に関して一定。

•

^W<–1:単位体積中にある暗黒エネルギーの量は時

間とともに増大。いずれは、あらゆる場所において暗黒エネルギーの効果が無視できなくなる。

23

(24)

(25)

すみれと暗黒エネルギー

VS

25

(26)

「すみれ」プロジェクト

• すばる望遠鏡を用いた一大プロジェクト

• 暗黒エネルギーを調べるには、宇宙の膨張速度を徹底的に測る必要がある

• すばる望遠鏡で、銀河をかたっぱしから観測、

膨張速度を精密測定

26

(27)

驚愕の観測事実？

• ^{ビッグバン以前}

^の宇宙も

^加速

^{膨張していた？}

•

２００９年、ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機

（WMAP）チーム

27

(28)

可視光で見た夜空（ ~500nm ）

28

(29)

マイクロ波で見た空（ ~1mm ）

29

(30)

マイクロ波で見た空（ ~1mm ）

宇宙を一様に埋め尽くすビッグバンの残光

宇宙マイクロ波背景輻射 T = 2.725 K

30

(31)

火の玉宇宙

ビッグバン

時間

31

(32)

火の玉宇宙

ビッグ

バン高温

膨張

時間

32

(33)

火の玉宇宙

ビッグ

バン高温冷えて

現在に至る

膨張膨張

時間

33

(34)

驚きの事実

• ビッグバン当時の光は、まだ我々と共にいる！

• １立方センチメートルあたり、なんと 410 個

34

(35)

たとえば、テレビの雑音のうち、 1% は

宇宙背景放射によるものだったりします

³⁵

(36)

宇宙背景輻射のスペクトル

4K 黒体輻射

2.725K 黒体輻射 2K 黒体輻射

ロケット実験 (COBRA) 衛星実験 (COBE/FIRAS)

シアノ分子CNの回転励起状態地上実験

気球実験

衛星実験 (COBE/DMR)

波長

^3mm ^0.3mm

30cm 3m

輝度

36

(37)

昔の宇宙は熱いスープ

•

^{光（波線）は電子}

（水色）によって散乱され、まっすぐ進む事ができない

•

^{宇宙は曇った状態}

proton helium

electron

photon

37

陽子

ヘリウム原子核電子

光

(38)

宇宙の晴れ上がり

•

^{宇宙が絶対温度で}

3000度まで冷える

と、電子は陽子に捕獲されて中性水素となる。

•

^{中性水素は光をあま}

り散乱しないので、

光はまっすぐ進めるようになる。

Time

1500K

6000K

3000K

proton helium electron photon 38

陽子 ^ヘリウム電子光

(39)

(40)

COBE/DMR, 1992

2.7Kの等方成分に加え、30uKの揺らぎ(1/100,000)が発見された。

40

(41)

COBE to WMAP

COBE

WMAP

COBE 1989

WMAP 2001

COBEに比べ、

•

^{角度分解能で３５倍}

•

^{感度で１０倍の改善}

41

(42)

WMAP サイエンスチーム

•WMAP: ２００１年６月打ち上げ

• ２０１０年夏まで運用；２０人くらいでやってます

⁴²

(43)

WMAP の成果（代表的なもの）

• 宇宙の年齢を１３７億歳と決定

• 通常の物質と暗黒物質の量、暗黒エネルギーの量を決定

–通常の物質（水素・ヘリウム）：４％

–暗黒物質：２３％

–暗黒エネルギー：７３％

• ビッグバンの前の宇宙の状態に迫った

–「インフレーション宇宙」に新しい知見

43

(44)

マイクロ波背景輻射 :

光で探る事のできる最遠方の宇宙

•

マイクロ波背景輻射は宇宙が380,000歳(温度3000K)の時に放たれた。

•

^WMAPにより距離が決定され、宇宙年齢が137±1億歳と決定された。

44

(45)

“Cosmic Pie Chart”

•

宇宙論観測により、宇宙の組成が正確に決められた

•

その結果、我々は宇宙の

95%を理解できていない事がわかった！

4%

23%

73%

宇宙の組成表

水素とヘリウム暗黒物質

暗黒エネルギー ⁴⁵

(46)

より初期宇宙へ

•

マイクロ波背景輻射は宇宙が380,000歳の時の物理状態を正確に保存している。

•

それより以前に行けないか？

46

(47)

揺らぎの起源

•

何が初期揺らぎを作ったのか？

•

観測される揺らぎの性質を用いれば、その揺らぎの起源、すなわち原始宇宙の物理の解明へ！

47

(48)

原始宇宙へ

•

現在、原始宇宙を記述する理論として最も有望なのがインフレーション理論。この理論によれば：

•

宇宙膨張は、宇宙誕生まもなく加速膨張を始めた。

•

加速膨張により、空間が急激に伸ばされた。

•

¹⁰^-34秒程度の間に原子核のサイズ(~10^-15m)が、天文学的なサイズ(1AU~10¹¹m)に伸ばされる！

48

(49)

• 現在の考え

– ビッグバン以前の宇宙は、冷たかった。

• WMAPの結果により、宇宙は誕生まもなく急激な加速膨張

（＝インフレーション）を起こした事が、明らかになりつつある。

–急激な膨張は、宇宙の急激な冷却を意味する

• インフレーションが終わる頃、膨張のエネルギーが解放され、

宇宙は火の玉状態（＝ビッグバン）となった。

• ビッグバンは宇宙の始まりではない。

• しかし、観測的にどう証明すれば良いのか？

宇宙創成に迫る

49

(50)

インフレーション = 原始暗黒エネルギー

50

(51)

原始宇宙へ

•

現在、原始宇宙を記述する理論として最も有望なのがインフレーション理論。この理論によれば：

•

極微の世界の物理が、天文学的なスケールに現れる

•

^{極微の世界の物理} ^＝ ^{量子場の物理}

•

揺らぎの起源は、量子場の揺らぎである

•

どのスケールにどの程度の揺らぎがあるかは、インフレーション中の膨張速度と量子場の運動で決定される

51

(52)

マイクロ波背景輻射のフロンティア

• ^{原始重力波}

52

(53)

原始重力波

•

量子揺らぎによって、重力波が生成される

•

重力波は相互作用が極めて弱く、宇宙は重力波に対して極めて透明。

•

インフレーションの時期を直接観測できる可能性 (重力波の振幅, h(+,x))

= h x (インフレーション宇宙の膨張率, H) / Mplanck

53

(54)

重力波がやってきた！

• 重力波は空間を引き延ばして

粒子を動かす

⁵⁴

(55)

重力波の２つのモード

• これらからどのように温度揺らぎが生じるのか？

55

“+” モード “X” モード

(56)

重力波から温度・偏光へ

電子

56

(57)

赤方偏移赤方偏移

青方偏移青方偏移

赤方偏移

青方偏移青方偏移

57

重力波から温度・偏光へ

(58)

温度揺らぎから偏光へ

58

(59)

• 宇宙マイクロ波背景輻射がこれまでなしえた事

•

ビッグバン理論の証明（Penzias&Wilson; 1965年）

•

^{揺らぎの発見（}^{COBE; 1992}^年）

•

^{宇宙の組成の確定（}^{WMAP; 2003}^年）

•

初期揺らぎの分布の精密測定（WMAP; 2009年）

•

^{これからなすべき事}

•

より初期宇宙へ：原始重力波！ ⁵⁹

(60)

LiteBIRD

•

次世代宇宙背景放射観測衛星（偏光の測定に特化）

•

日本主導：高エネルギー加速器研究機構 (KEK; つくば), JAXAなどの共同プロジェクト

•

原始重力波の発見をめざしています！

60

(61)

(62)

揺らぎの解析：

２点相関関数

• C(θ)=(1/4π)∑(2l+1)ClPl(cosθ)

• “パワースペクトル” Cl

– l ~ 180度 / θ

62

θ

(63)

COBE/DMRのデータから得られたパワースペクトル角度 ~ 180度 / l

角波数, l ⁶³

~9度

~90度

(四重極)

(64)

WMAP のパワースペクトル

パワースペクトル

大きな角度小さい角度

~１度

角波数, COBE

64

(65)

ビッグバン宇宙を伝わる音波

光子ーバリオン^*流体 65

音速²= 光速²/ [3(1+R)]; R=3ρ_b/(4ργ) ^*^{水素・ヘリウム}

(66)

66

波形を用いて水素・ヘリウムを測る

パワースペクトル

大きな角度小さな角度

水素・ヘリウムの存在量 5%

10%

1%

(67)

音波を取り除いてみる

Angular Power Spectrum

角度波数, 67

(68)

スケール不変な原始揺らぎ

68

大スケール小スケール

角度波数,

l(l+1)C l ~ l ^ns-1

n s =1

(69)

原始宇宙は完全にスケール不変でないかもしれない

69

より大きなスケールに大きな揺らぎ

角度波数,

n s <1

(70)

あるいは、こんな感じ

70

より小さなスケールに大きな揺らぎ

角度波数,

宇宙論とは？

現代宇宙論の 最前線

• 宇宙の起源

• 宇宙の歴史

• 宇宙の組成

宇宙論とは？

確かな観測事実

•

•

•

•

•

•

•

驚愕の観測事実

•

加速

•

•

•

宇宙の組成

73% 物質

暗黒エネルギー

宇宙の 73 パーセントは、

物質ですらない

不可思議なエネルギーで 満ちている！

物質と宇宙膨張

加速膨張する宇宙

リンゴを投げ上げる事 を想像してみよう

暗黒エネルギーは 実在する

• 暗黒エネルギーは宇宙の膨張を速くする

• その存在は、宇宙の膨張速度の測定から 明らかになった

標準光源法

• 明るさのわかっている天体を使って距離を測る方法

標準光源法

• この方法を超新星につかえば、何十億光年 も先の宇宙膨張を測定できる！

遠い

超新星が思ったより暗く見えた

•

暗い 明るい

後退速度（キロメートル毎時）

1998 年の大発見

• 超新星が、予想よりもずっと暗かった

• つまり、宇宙の膨張が予想よりもずっ と速かった

• 加速膨張！

大問題

• 宇宙の加速膨張が何で引き起こされている か、まだ全くわかっていない

• わかっているのは、「物質では不可能」とい うことだけ

• 天文学・物理学最大の難問といわれている

暗黒「エネルギー」？

•

•

• 負の圧力！

暗黒エネルギーの正体を探る

•

ビッグ リップ

(Big) (Rip)

暗黒エネルギーで 引き起こされる

（かもしれない）

宇宙の破滅的未来

Big Rip

•

•

•

すみれと暗黒エネルギー

VS

「すみれ」プロジェクト

• すばる望遠鏡を用いた一大プロジェクト

• 暗黒エネルギーを調べるには、宇宙の膨張速度 を徹底的に測る必要がある

• すばる望遠鏡で、銀河をかたっぱしから観測、

膨張速度を精密測定

驚愕の観測事実？

• ビッグバン以前

加速

•

可視光で見た夜空（ ~500nm ）

マイクロ波で見た空（ ~1mm ）

マイクロ波で見た空（ ~1mm ）

宇宙を一様に埋め尽くす ビッグバンの残光

宇宙マイクロ波背景輻射 T = 2.725 K

現代宇宙論の最前線

不可思議なエネルギーで満ちている！

リンゴを投げ上げる事を想像してみよう

暗黒エネルギーは実在する

• その存在は、宇宙の膨張速度の測定から明らかになった

• この方法を超新星につかえば、何十億光年も先の宇宙膨張を測定できる！

暗い明るい

• つまり、宇宙の膨張が予想よりもずっと速かった

• ^{加速膨張！}

• 宇宙の加速膨張が何で引き起こされているか、まだ全くわかっていない

• わかっているのは、「物質では不可能」ということだけ

• ^{負の圧力！}

ビッグリップ

暗黒エネルギーで引き起こされる

• 暗黒エネルギーを調べるには、宇宙の膨張速度を徹底的に測る必要がある

• ^{ビッグバン以前}

^加速

宇宙を一様に埋め尽くすビッグバンの残光

ビッグバン

バン高温

バン高温冷えて

膨張膨張

宇宙背景輻射のスペクトル

• 通常の物質と暗黒物質の量、暗黒エネルギーの量を決定