北海道大学・環境科学院 藤原正智 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/ 地球惑星科学II 宇宙論（3/4） 北海道大学・環境科学院 藤原正智 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/

「銀河宇宙」という描像 “天の川”は、我々の太陽系が属する“天の川銀河”（“銀河系”）の円盤面方向に対応 天の川銀河は、アンドロメダ銀河に似たひとつの渦巻銀河 ［全て、地学図表より］

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宇宙の階層構造 ［地学図表より］

膨張宇宙の発見（1/2） 理論研究の側から： アインシュタインの一般相対論（1915年） 理論研究の側から：　アインシュタインの一般相対論（1915年） 特殊相対論（1905年）：　光速度不変を満たす時間空間構造。ただし、万有引力は 　　　　　　　　　　　　　　　　　　瞬時に伝わってしまう（光速より速い）ので不完全 一般相対論では：　万有引力は時空の歪みを通して伝わると見る 一般相対論による「アインシュタインの重力場方程式」： 　　　　　物質場を与えた場合の時空の歪みを示す式 この式を用いて「宇宙においてどのような天体分布が安定か」という問題に取り組む 　　ところが、安定解が存在しないことが判明（膨張か収縮かしかない） 　　宇宙は定常（安定）であるべきと考えたアインシュタインは、万有引力を打ち消す 　　　　（人工的な）“宇宙斥力”（宇宙項；距離が離れると効いてくる力）を想定・導入 後年「生涯最大の失敗」と述懐（物理学に基づく結論と自らの思想が合致せず） “フリードマン宇宙”：宇宙項のない膨張する宇宙 　　　（ただし、近年、“宇宙項”がゼロでないことが観測的に明らかになってきた： 　　　　現在の宇宙の膨張速度は一定ではなくわずかに加速している。 　　　　2011ノーベル物理学賞）

膨張宇宙の発見（2/2） 観測研究の側から： ハッブルの法則（1929年） 観測研究の側から：　ハッブルの法則（1929年） ほとんどの銀河は赤方偏移（ドップラー効果）を示す（つまり我々から遠ざかっている）が、 　　 その速さはそれぞれの銀河までの距離に比例する（ハッブル定数） 　　　1932年、アインシュタインとド・ジッターが、「膨張宇宙」の証拠であると指摘 （あくまで「宇宙“空間”が膨張している」のであって 　　　　　　「空間は定常で銀河が動いている」（新たな天動説！）とはとらえない） 　　　　　（これは銀河群以上のスケールの話。銀河系、太陽系のスケールでは 　　　　　　当然万有引力が効いている） ［地学図表より］ ハッブルのウィルソン山天文台［宇］

宇宙の膨張宇宙の年齢 宇宙は膨張している！（観測事実！）  時間を戻すと宇宙の体積がゼロだった時刻が存在 　 時間を戻すと宇宙の体積がゼロだった時刻が存在 　 つまり、宇宙には“始まり”があり、“年齢”がある！ 　 では、物質や力はいつどのようにして“誕生”した？ 　　　（新たな難問！） しかし. . . 　　当初のハッブル定数により見積もると、 　　現在の宇宙の年齢は約20億年 　　他方、地球の年齢はもっと長いことが当時すでに知られていた 　「ゼロから始まる膨張宇宙」は20C半ばまで半信半疑

参考― 地球の年齢に関する議論 多くの天地創造神話では大変長いと考えられていた 旧約聖書「創世記」ではその細かい記述の解釈によるとせいぜい6000年程度（しかも６日間で天地の完成） 西欧では17Cのガリレオやデカルト達の登場まで、聖書の強い影響下　　　　　　　　　　　　　　（この頃インドや中国へ出かけた宣教師達が、より長い歴史を持つことを“発見”。ノアの洪水の記録は中国にはない！） 18C～19C：地球はどろどろに溶けた熱い星として始まったという考え　　　　　　　熱した金属・岩石が冷える時間から推定数万年～数億年 19C初頭：“化石”が過去の生物の遺骸であること確立。　　　　　　　　　　　　　　　化石を用いた地層順序決定法確立。（生物種の“絶滅”！） 19C半ば：ダーウィン「種の起源」－生物の進化という発想が広く世に流布　　　　進化にかかる時間、という問題に直面 19C末：放射能、放射性元素の発見　　地球に熱源（冷える時間が伸びる）、崩壊速度・半減期により時計として使える “放射年代測定法”　　　　（ウラン鉛の崩壊を利用し、1907年には、16億年の年代を持つ岩石資料の存在確認） 1911年：地質年代（顕生代（6億年前まで））に絶対年代入る 1960年頃：35億年前に生成した岩石 1953年：隕石（太陽系形成初期に生成）の鉛同位体比　45.5億年に冷え固まった：これが地球の年齢

ビッグバン宇宙と物質の起源 宇宙に始まり物質（元素から銀河まで）はいつどこでどのようにして生成？ 物質に関する新しい物理学の誕生　：　量子論（原子物理・光と物質の相互作用、原子核物理、素粒子物理） 1869：メンデレーエフによる最初の周期表；　　～1911：ラザフォードのアルファ線の研究と原子模型（太陽系モデル）；　　1913：ボーアの原子模型（量子論）；　　1932年：中性子の発見；　　1935年：湯川秀樹による陽子・中性子を結びつける力「中間子理論」 ［地学図表より］ ・メンデレーエフ 　各元素の相互関係の 　整理・体系化を志す ・原子番号 　電子数＝陽子数 　（元素の化学的性質） ・中性子数～陽子数 　同位体：中性子数異なる ・原子量、“核” 　陽子数＋中性子数 ・放射性元素 　　不安定なため、一定 　　時間後核分裂して 　　別の元素になる

ビッグバン宇宙と物質の起源 太陽はなぜ、どれだけの期間、光っているのか 化学（電気）、重力エネルギーではなく核エネルギー 　　　　化学（電気）、重力エネルギーではなく核エネルギー 原子核同士の衝突・融合（核融合）が星の輝きの源 　　　　星の内部で元素が生成（ホイル他、1957） つまり、「星には一生がある」、「地球上等に見られる各種元素は恒星内部で作られる」 しかし、ヘリウムの宇宙存在量は、星の理論と比べて多すぎる。 　　多すぎる分はどうやって作ったのか？ 一方、ガモフによる元素合成の研究（1947）によると 　　元素が星内部で核融合で合成されるには、星の温度は低すぎる  宇宙初期の収縮状態があったのなら超高温のはず。そこで合成すればいい “火の玉宇宙”  初期宇宙（誕生後1～1000秒、温度1億度以上、高密度）： 　　陽子、電子などから、水素、ヘリウムが生成 つまり「宇宙は大爆発から始まった」（ガモフ） 　　論敵のホイルがからかい半分に「ビッグバン」とラジオで命名

ビッグバン理論とその証拠 ・宇宙背景放射の発見： 1948年、アルファとハーマンの予言：ビッグバンという超高温の時代があったのであれば、 　1948年、アルファとハーマンの予言：ビッグバンという超高温の時代があったのであれば、 　名残りの電磁波が宇宙に満ちているはず。宇宙膨張とともに冷えて5K程度になっているはず。 　1965年、ペンジアスとウィルソンによる一様な“雑音電波”の発見2.7K宇宙背景放射 　（宇宙背景放射は実は目で見える。放映後のブラウン管テレビのちらつき（電波ノイズ）のうちの一部。） ・他に、ビッグバン理論の証拠として、宇宙膨張とヘリウムの遍在（3つも証拠があると言える） ・宇宙の年齢の確定 　ハッブルの当初見積もりは20億年。銀河の動きの観測精度向上により1990年には90億年 　一方、星の進化理論より最古の星団の年齢は140億年近い。 　アインシュタインの宇宙項の再考膨張加速超新星の観測により、わずかな加速判明 　現在では、宇宙の年齢と天体の年齢に矛盾はなくなり、宇宙の年齢は約140億年　 ［地学図表より；地球惑星科学入門］ COBE, 1989; WMAP, 2001 （背景放射とそのゆらぎの精密観測） ・ほぼ等方：　ビッグバン ・非等方性：　地球の相対運動~700km/s ・ゆらぎ：　宇宙初期の量子ゆらぎが インフレーションにより引き 延ばされたもの 　　　　　　　 物質密度の不均一、すなわち、 　　　　　　　　　銀河や銀河団の形成の原因 2006ノーベル物理学賞（COBE）　

恒星の一生と元素合成 ・星の進化の道筋と寿命の長さはその重さで決まる。 ・太陽は現在“主系列星”（宇宙の星の90%）の状態にある。 ［ブロッカー「なぜ地球は人 の住める星になったか？」 ブルーバックス］ ［地学図表より］ ・星の進化の道筋と寿命の長さはその重さで決まる。 ・太陽は現在“主系列星”（宇宙の星の90%）の状態にある。 ・太陽より重い恒星の内部では、CNOサイクルによりHe以降の 　元素が生成され、その際の核融合エネルギーにより星は光る ・燃料欠乏再収縮内部温上昇より重たい元素の生成 　という過程を繰り返しながら、赤色超巨星化していく ・鉄までは核融合で安定化するので、上記過程で生成する。 ・鉄まで出来ると核融合熱を出せなくなり星は潰れ始めるが、 　その際の重力エネルギー解放による昇温により鉄が分裂し、 　粒子数増大圧力増大超新星爆発となる。 　この時に鉄以降の元素が中性子捕獲＋放射性崩壊により生成。 ・重さが太陽の30倍以上の星は、重すぎて爆発出来ず収縮し 　続ける中から光さえ出て来られないブラックホールとなる

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ブラックホール http://hubblesource.stsci.edu/sources/video/clips/details/lg-blk-hole.php

まとめ ー 宇宙論（3/4） ー 「銀河宇宙」という描像 宇宙の階層構造 膨張宇宙の発見  宇宙の年齢、宇宙のはじまり ビッグバン宇宙と物質の起源 恒星の一生と元素合成 復習・および若干の予習として： 地球惑星科学入門・第30章・宇宙とその進化 参考図書（次回の予習にもなります）： 村山斉「宇宙は何でできているのか－素粒子物理学で解く宇宙の謎－」幻冬舎新書 　　　　（新書大賞2011第1位）

NHK クローズアップ現代 <http://cgi4. nhk. or. jp/gendai/index 史上最大の電波望遠鏡「アルマ望遠鏡」（チリ・アタカマ砂漠：降雨少） 66台（直径12ｍを50台と「ACAシステム」16台）の高精度アンテナ  同時に動作させ1台の巨大アンテナとして稼動 国立天文台・元教授・石黒正人氏らが30年前から取り組んできた「日本発」の国際共同プロジェクト（野辺山天文台がスタート） M100銀河の中心のブラックホールにCO（-256℃）等が吸い込まれていく様子 可視光線でなく電波だと、アミノ酸（C-Nの三重結合）等の高分子が“見える”生命の起源を探る 北大・低温科学研究所・渡部直樹教授：　星間空間における原子・分子過程 Credit: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO) Official Website: http://alma.mtk.nao.ac.jp/j/