東京大学大学院理学系研究科 ビッグバン宇宙国際センター 川崎雅裕 インフレーション理論の 進展と観測 「大学と科学」公開シンポジウム ビッグバン 宇宙の誕生と未来

標準宇宙モデル

宇宙膨張の発見 宇宙背景放射の発見 宇宙初期のヘリウム合成理論の成 功 標準ビッグバン宇宙モデル

1922 フリードマン宇宙モデル 膨張宇宙 開いた宇宙 平坦な宇宙 閉じた宇宙

1929 ハッブルの発見 遠くの銀河は銀河までの距離に比例した速 さで遠さかっている 宇宙膨張の証拠

（後退速度） = H X （距離） 0 H ハッブル定数 = km/ 秒 /Mpc 0 現在

宇宙膨張の発見 宇宙背景放射の発見 宇宙初期のヘリウム合成理論の成 功 標準ビッグバン宇宙モデル

1946 ガモフの熱い宇宙モデル 宇宙膨張 過去にさかのぼれば 宇宙は高温高圧の状態 圧縮すると温度が上がる 火の玉宇宙（ビッグバン宇宙） 1. 宇宙初期にヘリウムが合成される 2. 熱い宇宙の痕跡として宇宙背景放射が存在 2( 陽子 ) + 2( 中性子 ) ヘリウム

宇宙背景放射 光 = 電磁波 様々な波長の光 温度Ｔの物体から放射される光 温度に固有な 波長の光 プランク分布

温度が高い波長が短い 赤い鉄、星の色 初期宇宙の高温状態 短い波長の光で満ちている 宇宙の膨張 温度が低くなる 現在も長波長の光が宇宙を満たしている

1965 ペンジャス・ウィルソンによる ３Ｋ宇宙背景放射の発見 ３Ｋ = 摂氏 -270 度 波長約 1mm のマイクロ波

元素合成 (Big Bang Nucleosynthesis) 宇宙の温度が 100 億度から 3 億度に下がる間に 2( 陽子 ) + 2( 中性子 ) ヘリウム 同時に、重水素、ヘリウム３、リチウム７が わずかに作られる 宇宙の核子（陽子・中性子）の約 1/4 がヘリウムになる

宇宙膨張の発見 宇宙背景放射の発見 宇宙初期のヘリウム合成理論の成 功 標準ビッグバン宇宙モデル

宇宙の歴史

再結合 (Recombination) 宇宙の温度が 3000 度程度になると 電子 + 陽子 水素原子 + 光子 自由な電子がなくなる 光は電子に邪魔（散乱）されずに 現在まで直進する 宇宙背景放射として観測

時刻 = 40 万年以降

COBE (COsmic Background Explorer) による観測 1989 年 11 月 NASA が打ち 上げ

COBE 宇宙背景放射全天マップ

宇宙の歴史

インフレーション宇宙

標準宇宙モデルの困難 地平線問題 (horizon problem) 平坦性問題 (flatness problem) 宇宙背景放射は非常に等方的 宇宙は約 100 億年たったいまも平坦に近い インフレーション宇宙モデル 自然に解決 グース・佐藤 (1981)

宇宙の地平線 どんなものも光速より速く伝わらない

地平線問題 因果関係のない AB からくる光 の強さが 10 万分 の 1 の精度で同 じ なぜ？ = 地平線問題 ~ 100 Mpc AB ~ 4000 Mpc

平坦性問題 平坦さの時間変化 誕生から 100 億年たった今でも空間が平坦 であるためには宇宙初期において 10 の精 度で平坦 -60 不自然な微調節 Present Flat

インフレーション宇宙 宇宙のごく初期 10 秒 -36 真空 ( スカラー場 ) のエネルギーが宇宙を支配

真空のエネルギーが宇宙を支配 急激な宇宙膨張 10 秒に宇宙が 10 倍になる 膨張の後、真空のエネル ギーが解放され熱い宇宙 インフレーション宇宙

インフレーション宇宙の成功 インフレーション宇宙は標準モデルの問題点（ 地平線問題・平坦性問題 ) を自然に解決 地平線問題 AB はインフレー ション前には因 果関係があった

平坦性問題 急激な膨張によって平坦になる

密度揺らぎの生成 真空の量子揺らぎ 古典的な密度揺らぎ 宇宙の構造形成 インフレーション

インフレーション宇宙の歴史

平坦な宇宙 特徴的な密度揺らぎ （ 断熱・スケール不変） インフレーション宇宙の予言 宇宙背景輻射の観測 COBE, BOOMERANG, WMAP, etc インフレーションを支持

平坦な宇宙

BOOMERANG Balloon Observation Of Millimetric Extragalactic Radiation ANisotropy and Geomagnetics

温度揺らぎの大きさ

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

WMAP 宇宙背景放射全天マップ

COBE 宇宙背景放射全天マップ

History of Background Radiation

WMAP による温度揺らぎスペクトル 断熱・スケール不変な揺らぎ

揺らぎの性質 : 断熱 vs 等曲率 空間 光の揺らぎ 物質の揺らぎ 光の揺らぎ 物質の揺らぎ 揺らぎの生成時 インフレーション宇宙断熱揺らぎ 等曲率揺らぎ

温度揺らぎ：断熱 vs 等曲率 断熱揺らぎ 等曲率揺らぎ

平坦な宇宙 特徴的な密度揺らぎ （ 断熱・スケール不変） インフレーション宇宙の予言 宇宙背景輻射の観測 COBE, BOOMERANG, WMAP, etc インフレーションの状況証拠

まとめ インフレーション宇宙モデルは標準ビッグバ ン宇宙モデルの問題を解決し、宇宙のごく初 期をうまく記述することができる インフレーション宇宙の予言である宇宙の平 坦さや密度揺らぎが宇宙背景放射の観測で確 かめられてきた 今後、インフレーションモデルは観測によっ てさらに洗練されていくと期待される