ブラックホールを見る！ --X線天文学への招待-- 松本浩典 京都大学大学院理学研究科 物理学第二教室宇宙線研究室　助教

これは何の写真でしょう？ ©SOHO

答え: 太陽のX線写真 ©SOHO 太陽の普通の写真

可哀想なX線写真… ピアスを飲み込んでしまったミニチュアダックスフント

(中心部に巨大なブラックホールがいて、ジェットを噴出) X線を使えば、別世界が見えてくる！ 普通の写真 X線写真 ©CXC ©CXC Centaurus A という銀河の写真 (中心部に巨大なブラックホールがいて、ジェットを噴出)

銀河団:巨大な火の玉 普通の写真 X線写真 ©CXC ©CXC 単に銀河の集まり 数千万度の高温ガスの塊

ちょっとした注意 注：この講義では、つい癖で「ガス」という言葉を使うかもしれません。 それは、単に「気体」という意味です。 「天然ガス」「プロパンガス」などの、「燃料」という意味ではありません。

X線天文学の魅力！ 何が出てくるか予測できない！ 人間の予想を超えた世界が見える。 それも自分たちの手作りの装置で！

内容 X線とは何か？ X線天文学 ブラックホールとX線 歴史 日本のX線天文学とすざく衛星 恒星状ブラックホール 巨大ブラックホール 中質量ブラックホール

X線の「X」は、正体不明の「X」 発見者: レントゲン(1845-1923) なんだか良くわからないが、体が透けて見える！ 1901年第1回目のノーベル物理学賞受賞 X線=レントゲン線

レントゲンによるX線の発見…1895年(明治28年) 日本人もいい線行ってた！ レントゲンによるX線の発見…1895年(明治28年) わずか10ヵ月後に、日本人もX線撮影に成功 島津源蔵＝島津製作所初代社長が初の撮影に成功 ©島津製作所

X線って何？ X線は、「光」(目にみえるやつ)の親戚です。 親戚とは？　どういう意味？ X線の前に、少し光の話をしましょう。

光と色 プリズム実験 虹:自然のプリズム実験 一口に光といってもいろいろな種類(色)がある。

光の色と温度 赤い光 青い光 温度低い 温度高い 物体の温度(=エネルギー)と色には関係がある

星の温度の測り方 星の温度は、色で測る 20000度ぐらい スピカ 太陽 6000度ぐらい ベテルギウス 3000度ぐらい 赤い 青い

X線=色が「青過ぎる」光 X線はエネルギーの高すぎる光ともいえる。 赤い 青い 色 エネルギー 　色　 エネルギー ©ISAS/JAXA 携帯電話で使う電波、ストーブの赤外線などは、色が「赤すぎる」光。 みんなまとめて電磁波と呼びます。 AM … 1MHz FM … 100MHz TV … 500MHz 携帯電話 … 1GHz 電子レンジ … 1GHz (日本は2.45GHz) X線はエネルギーの高すぎる光ともいえる。

まとめ 色 温度 エネルギー 赤 低い 青 高い X線 すごく高い X線は温度・エネルギーの高い物体から出る。

X線を出す星の温度は？ 6000度×500 = 3000000度(300万度)! X線のエネルギーは、黄色い光の約500倍 太陽は約6000度で、黄色い光を出す。 X線を出す星があったとすると、太陽の500倍熱い！ 6000度×500 = 3000000度(300万度)!

300万度の星って！？ 1950年代に知られている星の温度は、 どんなに高くても数万度。 当時の科学者の常識 「百万度の星なんてあるわけないよ。 X線星を探すなんて、無駄無駄」

ところが…. ブルーノ・ロッシ 超簡約:自然は人間より、はるかに想像力豊かだ！ (1905-1994) 1962年にロケット実験に挑む。 I must admit that my main motivation for pressing forward was a deep seated faith in the boundless resourcefulness of nature, which so often leaves the most daring imagination of man far behind. ©MIT 超簡約:自然は人間より、はるかに想像力豊かだ！ 1962年にロケット実験に挑む。 (1905-1994) でも名目は月の観測

なぜロケット実験？ だから、大気圏外に出て観測しなければならない！ 普通の光 … 空気を簡単に通過。 (だから太陽が見える。) 　　　　　　　　(だから太陽が見える。) X線…人体をも貫通するX線なのに、大気は通過できません。 (逆に言うと、宇宙X線から守られている。） だから、大気圏外に出て観測しなければならない！

さそり座X-1の発見！=X線天文学の夜明け ガイガーカウンター付ロケット さそり座の方向に向けたとき、 ガイガーカウンターが激しく鳴る。

ノーベル賞ももらった リカルド・ジャコーニー (1931年～現在) 2002年、日本の小柴昌俊先生と共に、ノーベル物理学賞受賞。 注:小柴先生はニュートリノ天文学

日本のX線天文学 創始者:小田稔先生 ロッシ・ジャコーニーと共に、MITでX線天文学の実験に従事。 (1923-2001)

本当に日本がトップ？ X線天文学…人工衛星が必須。 ずっとX線天文衛星を打ち上げ続けていることが何よりの証拠！ はくちょう 1979--1985 ぎんが 1987--1991 てんま 1983--1989 あすか 1993--2001 ちなみに、アメリカはこの20年で2台しか打ち上げていません。

そして今！ すざく衛星(2005年7月打ち上げ)

すざく(朱雀)衛星 キトラ古墳の朱雀 全長: 6.5m 重さ:1700kg

すざくの衛星の観測装置 X線CCDカメラ 硬X線検出器 我々(京大グループ)が開発に参加。 東大などが開発 売ってないので自分たちで作る。

X線CCDカメラ デジカメを宇宙空間対応にして、さらにX線用に改造したようなもの。 きれいなX線写真がとれる。 X線の「色」が良くわかる。 クリーンルームで実験中のわたくし デジカメを宇宙空間対応にして、さらにX線用に改造したようなもの。 きれいなX線写真がとれる。 X線の「色」が良くわかる。 =X線のエネルギーが良くわかる。

すざく衛星X線CCDのデータ 超新星残骸E0102のデータ X線スペクトル そのエネルギーのX線の強度  低い 　　X線のエネルギー　　高い

「スペクトル」＝内容物成分表 ミックスジュースの成分表のグラフのようなもの。 内容物の成分グラフ=スペクトル

スペクトルからわかること(1) 飛び出している部分 酸素 各原子に固有のX線 (特性X線) ネオン 強度 エネルギー 強度 酸素 飛び出している部分 ネオン 各原子に固有のX線 (特性X線) どんな原子がどのぐらいあるのかわかる。 マグネシウム 超新星爆発で、 我々の身体の材料 が作られた！

スペクトルからわかること(2) 特性X線を除いた、全体的な形 (曲がり具合) 強度 温度がわかる 超新星残骸E0102は、 エネルギー 強度 特性X線を除いた、全体的な形 (曲がり具合) 温度がわかる 超新星残骸E0102は、 1千万度の高温ガス

すざくX線CCDの実力 エネルギー 強度 米国Chandra衛星 すざく衛星 形が一番くっきり ヨーロッパXMM衛星

すざく打ち上げ 2005年７月10日、鹿児島県内之浦宇宙空間観測所(USC)より、M-V型ロケット6号機で打ち上げ。 ここ！ 打ち上げ方向 種子島じゃないよ

ここまでのまとめ X線は光の一種である。 X線はエネルギーが高い。 X線は高温物質(温度数千万度)などから出る。 現在日本はすざく衛星を持っている。 すざく衛星は、世界で一番詳しいスペクトルを検出できる。 X線スペクトルとは、X線の成分グラフ。 おまたせしました。宇宙の話に入ります。

これは何だ？ 白鳥座の方向に明るいX線星！ = Cygnus X-1 X線で太陽の1万倍も明るい！ X線写真 エックス線強度 0.1秒以下の時間で X線強度が激しく変動 時間(秒)

時間変動の意味 光速度C(km/秒)=30万km/秒 大きさL(km) 例え星が一瞬で消えても、消えるまでにL/C秒かかる。 もし太陽が一瞬で無くなったとしたら…. 太陽の直径はL=約140万km 光が通過するのに、L/C=(140万km)/(30万km/秒)=約5秒 結論:５秒ぐらいかけて徐々に太陽は見えなくなる。

Cygnus X-1の場合 逆に言うと、点いたり消えたりするのにかかる時間から、物体の大きさがわかる。 Cygnus X-1の場合: 0.1秒以下でついたり消えたりする。 従って、大きさは 0.1秒×30万km/秒=3万km より小さい。 太陽直径140万km  Cygnus X-1はとても小さい星

Cygnus X-1の位置に見える星は、太陽の30倍ぐらいの大きな星。 普通の光の写真 Cygnus X-1の位置に見える星は、太陽の30倍ぐらいの大きな星。 光のドップラー効果を調べて、 この星が動いていることがわかった。 X線写真 普通の光では見えないが、太陽の10倍ぐらいの大きさの星の周りを回っているらしい。

Cygnus X-1の正体は？ Cygnus X-1 はブラックホールである。 X線だけで太陽の1万倍も明るい。 重さは太陽の10倍ぐらいあるらしい。 しかし大きさは数万kmしかないらしい。 (太陽の100分の1ぐらい。地球に毛が生えた程度) あらゆる可能性を検討し、生き残ったのは…. Cygnus X-1 はブラックホールである。 この説を世界で初めて唱えたのは、小田先生(1971年)。

Cygnus X-1 想像図 ブラックホール X線 相手の星を 吸い込んでいる 光で見える星

ブラックホールとは？ 物体 広辞苑より 高密度で重力があまりに強いために物質も光も放出できない天体。 光 物体 ブラックホール 重力弱 あくまでイメージです。 正確ではありません… 重力弱 重力強 重力極大

相対性理論 一般相対性理論 重力に関する理論 アインシュタインがほぼ一人で作った ブラックホールは一般相対性理論で存在を予言されていた。でも当時は、実在するとは誰も思っていなかった。 アインシュタイン (1879—1955) X線天文学がブラックホールを実在のものにした！

どうしてX線が出る？ X線 ブラックホール ブラックホールそのものではなく、周囲がX線を出す。

どこでブラックホールは生まれる？ 星(恒星)は、次第に燃料を燃やしつくし、寿命を迎えます。 そのとき起こす大爆発を超新星爆発と言います。 ブラックホールは、超新星爆発で出来ると考えられています。 少し星(恒星)のことを勉強しましょう。

その前に原子の話 10-15m 10-8m ヘリウムの場合 電子 中性子 陽子 原子核 すべての物質は、「原子」という小さな粒から出来ています。

数値記法について 10-8=0.00000001のこと 1.0から小数点が左へ8回移動 105=100000のこと 1.0から小数点が右へ5回移動 ゼロをたくさん書くとわかりにくくなくなるので、このように書くことが多いです。

星の燃料 星は巨大なガス(気体)の固まり。ほとんどが水素とヘリウム。 水素やヘリウムの原子核融合(原子核同士がくっつく反応)でエネルギーを出します。 天然ガスなどの普通の燃焼は、原子同士がくっつく反応。 つまり、自分自身が燃料。 燃えカスとして、どんどん原子番号の大きな原子ができます。

周期表 星の体であり、また燃料 ２段目以降は、星の燃えカス！

なぜ星は飛び散らない？ 星は固体ではなく、気体。 どうして飛び散ってしまわないのか？ 答: 重力で飛び散るのを引き止めているから！

重力って？ 質量を持つ全てのものは、お互いに引き付けあっています。これを万有引力と呼びます (ニュートンのりんごで有名)。 質量の大きいものほど、またお互いの距離が近いほど、万有引力は強くなります。 地球の重力は、みなさんと地球が引き付けあう力です。 星は質量が大きいので、重力も強力です。 みなさん自身も、お互いに引き合っています。ただ、あまりに弱い力だから気がつかないだけ。

星のつりあい 圧力 重力 (万有引力) 原子核融合反応

燃料がなくなったら？ 星の外部は吹き飛んで超新星残骸。 星の内部は圧縮されてブラックホール (もしくは中性子星) 星は、自分自身が燃料。なくなったらしぼむしかない。 星の外部は吹き飛んで超新星残骸。 星の内部は圧縮されてブラックホール (もしくは中性子星) ©CXC （アニメ有り）

超新星爆発の実例 1987年2月23日の大マゼラン星雲

1987年2月24日の大マゼラン星雲 小柴先生は、この超新星爆発からのニュートリノを検出して2002年のノーベル賞を受賞。 超新星爆発

爆発の跡：超新星残骸 超新星残骸のX線写真集 Cassiopeia A Kepler Crab ©CXC E0102-72 G320.4-1.2 W49B 超新星残骸のX線写真集 アニメーション

カシオペアAの中心 X線写真 ブラックホール(か中性子星)?

超新星残骸のスペクトル すざく衛星スペクトル 星の内部の核融合で作られた原子がたくさん！ 我々の身体の原子は、昔どこかの星で作られた。 SN1006 FI Mg Si BI O S Ne Ar Ca Fe すざく衛星スペクトル 星の内部の核融合で作られた原子がたくさん！ 我々の身体の原子は、昔どこかの星で作られた。

ブラックホールには他にも種類が！ これまでの話: Cygnus X-1など、太陽の10倍ぐらいの重さの これまでの話:　 Cygnus X-1など、太陽の10倍ぐらいの重さの ブラックホール (恒星質量ブラックホール) 実は、ほとんどの銀河の中心に、太陽の100万倍から1億倍のブラックホールがいることがわかっています。 これらを巨大ブラックホールと呼びます。

我々の住む銀河の中心 太陽の100万倍ぐらいのブラックホールがある。

天の川銀河中心X線写真 アニメーション 30光年 太陽の100万倍の巨大ブラックホール ©CXC

すざくで見た銀河中心 鉄の2本の特性X線 =1億度ぐらいの高温ガス ~200光年 銀河中心 硫黄 アルゴン 鉄 カルシウム ~200光年 銀河中心 銀河中心には、温度1億度の高温ガスが充満している。 なぜ？ブラックホールの影響？超新星爆発？ すざく衛星が挑む、最大の謎の一つ。

宇宙最大の巨大ブラックホール 乙女座にあるM87銀河 X線写真 普通の光 ジェット 太陽の1億倍の重さの ブラックホール

ブラックホールの重力の証明 鉄 鉄の特性X線の形が、すごくゆがんでいる。 本来の形 ブラックホールの 強烈な重力の影響 すざくでとった、MCG6-30-15銀河の 巨大ブラックホールのスペクトル 鉄 鉄の特性X線の形が、すごくゆがんでいる。 本来の形 ブラックホールの 強烈な重力の影響 一般相対性理論の予言と一致。

巨大ブラックホールはどこで生まれる？ 最近までよくわかっていなかった。 巨大ブラックホールと恒星ブラックホールの間の サイズのものを我々が発見！ 恒星ブラックホール 太陽の10倍ぐらい 中質量ブラックホール 太陽の1000倍ぐらい 巨大ブラックホール 太陽の100万倍以上 M82銀河のX線写真 どうやらブラックホールは 成長するらしい。

日常生活とブラックホール ブラックホールは、強烈な重力のため光も吸い込みます。 これは、重力の理論である一般相対性理論で理解できます。 一般相対性理論は、日常生活でよく使うある物に欠かせません。なんでしょう？ 答:カーナビ

カーナビ GPS衛星 GPS衛星と電波で通信し、 自分の位置を算出。 地球の重力の電波に対する影響を考慮しないといけない。 その理論こそ相対性理論 みなさんが社会に出るころには、相対性理論の理解は必須になっているでしょう。がんばってください。

まとめ X線はエネルギーの高い光の一種である。 したがって温度の高いものから出る。 ブラックホールは強烈な重力で光も吸い込む。 ブラックホールには３種類 恒星ブラックホール…太陽質量の10倍程度 中質量ブラックホール…太陽質量の1000倍程度 巨大ブラックホール…太陽質量の100万倍以上

さいごに 一緒に研究しましょう 我々日本のX線天文グループは、2012年ごろの打ち上げを目指し、ASTRO-H衛星の開発を進めています。 みなさんが大学に入学して、卒業研究をするころには、素晴らしいデータが得られることでしょう。 ASTRO-H衛星計画 一緒に研究しましょう

以降バックアップ

光の色 (虹) X線、光…電磁波という波 電気と磁気が交互にうねりながら進む 他の波の例: 水の波 (電気力の元) (磁気力の元)

波の他の例：音波 音(音波)=空気自身のうねり 波長によって音が変わる。 波長が長い…低い音 波長が短い…高い音 波長が波の性質を決める！

光という波 (電磁波) 波長 音 光 短い 高い 青い 長い 低い 赤い 光の性質も、波長で決まる！

物体の温度と波長の関係 波長と温度は、おおよそ次のように反比例 L = 0.3/T 物体の温度: T (絶対温度 K) 絶対温度とは普通の摂氏の温度に273度足したもの。 物体の温度: T (絶対温度 K) 物体が出す光の波長: L (cm) 波長と温度は、おおよそ次のように反比例 L = 0.3/T 実例1：太陽(6000度)の場合、L=0.3/6000=10万分の5cm 黄色い光はだいたい10万分の6cm だから、ほぼ正解！ 実例2:人間(310度)は、L=0.3/310=1000分の1cm これは赤外線。だから赤外線カメラで暗闇でも見える。

X線を出す星の温度は？ (答) T=3000万度！ 波長と温度は、おおよそ次のように反比例 L = 0.3/T X線は原子一個分の長さぐらい L=0.00000001cm=1億分の1cm 方程式を立ててみよう。 1億分の1cm = 0.3/T (答) T=3000万度！

どれも、現代の全てのテクノロジーの基礎です。 なぜ色と温度・エネルギーが関係する？ 簡単には答えられません。申し訳ありません。 大学で、物理を勉強すればわかります。 電磁気学…電気と磁石の学問 量子力学…原子の世界の学問 熱統計力学…熱に関する学問 どれも、現代の全てのテクノロジーの基礎です。 しっかり勉強してください。