第13回 銀河の形成と進化 東京大学教養学部前期課程 2017年度Aセメスター 宇宙科学II 松原英雄(JAXA宇宙研)
宇宙は膨張している ハッブルの法則 宇宙には始まりがあった“ビッグバン” H0 : ハッブル定数 距離:D 後退速度 : V V = H0×D H0 : ハッブル定数 宇宙には始まりがあった“ビッグバン”
Redshift due to Expansion (IR) (UV) Colour at 5billion light years away Colour at rest-frame Light from distant objects on the Hubble flow is redshifted as: λ=λ0(1+z) z:redshif t → Gamma-ray photons when the Universe is 0.4 millon years old is now redshifted to millimeter-wave (z~1000)
WMAP Observations of the CMB q ~ 70 q ~ 0.20 WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2001 at L2) Probe the CMB fluctuation Spectrum below the horizon scale : q ~ 900 - 0.2 (l=2-1000 @ Spherical harmonics q =180o / l )
WMAP Observations of the CMB Red - warm Blue - cool
WMAP Observations of the CMB fundemental 1st harmonic
Planck (launched in 2009)
Planck Observations of the CMB (2013) WMAPより小さい角度スケール(大きいℓ)での詳しい温度揺らぎが得られた
CMBスペクトルのパラメータ依存性 http://www.sci.niihama-nct.ac.jp/~nagao/shikokuseminar/tsujikawa3.pdf
WMAP (Planck 2015)が見つけたこと 宇宙のエネルギー構成 The content of the Universe: バリオンBaryon 4% (5%) 暗黒物質Cold Dark Matter (CDM) 23% ( 26%) ダークエネルギーDark Energy 73% (69%) ハッブル定数 The Hubble Constant : 73 km sec-1 Mpc-1 (68 km sec-1 Mpc-1)
赤方偏移と宇宙年齢・ルックバックタイム の関係
宇宙の階層構造 階層 質量 (M8 ) 大きさ 密度 ( g/cm3 ) 星 ~ 1 ~ 106 km 1 銀河 ~ 1011 ~ 10 kpc ~10-25 銀河団 ~1013~14 ~ 5 Mpc ~10-28 超銀河団 ~1015~16 ~100 Mpc ~10-30 宇宙全体 ~1021~23 ~3000 Mpc
重力を支配するダークマター 光を出さない。しかし万有引力は持っている。 正体は未だ不明。 銀河の回転運動を調べていくと、“何かがある”ことは間違いない。 大きなスケールになるほど顕著: 太陽の近く:光っている物質の2-3倍 我々の銀河系(銀河中心~太陽系まで):10倍 銀河団:30-100倍 (その一部はX線で光るホットガス)
宇宙の構造形成の歴史 (現在の標準的な考え方だと) 宇宙誕生から1-2億年: 1億~10億太陽質量のダークマターの固まり(矮小銀河クラス)が出現。 宇宙誕生から5-10億年: 千億~一兆太陽質量のダークマターの固まり(普通の銀河) が出現 宇宙誕生から10-30億年: 銀河団規模の固まりがようやく出現
Large-scale Structure Formation (CDM) © Moore et al. (1999, private communication with T. Kodama)
ダークマターハローの質量関数
銀河の形成と進化 形態は変わるのか? 楕円銀河 渦巻銀河 銀河とは、100億個~一兆個の星と星間物質(主に)ガスのあつまり。いつ、どのように誕生し、成長してきたのか? 形態は変わるのか? 楕円銀河 渦巻銀河
主系列銀河とスターバースト銀河 Star-formation Main Sequence and Starburst Star-Formation Rate [Msun/yr] Main-Sequence 星形成率と質量からsSFRでスターバーストを定義 Stellar Mass [Msun] Rodighiero et al.2011
楕円銀河はどうやってできたのか? (現在の標準的な考え方) 大変小さな 赤ちゃん銀河 星が爆発的に 誕生している 赤外線で輝く銀河 銀河の 衝突・合体 「銀河風」により星の母胎である星間雲が吹き飛んでしまうと… 星々が年老いて楕円銀河に
衝突中の銀河の可視(左)赤外線(右)画像 衝突によって星がうまれた ところのチリがあたためられて、 赤外線で明るく見えています。 (画像:ESA提供)
銀河のマージングだけが活発な星形成の メカニズムではありません。 Elbaz et al. (2007) z~1の高光度赤外線銀河の形態を見ると普通な渦巻銀河も多い!
主系列銀河の成長 Evolution of Main-Sequence galaxies 大部分の銀河は、「主系列」に沿って、Cold Streamによる外部からのガス供給を受けつつ、徐々に成長していく。 A majority of star-forming galaxies form a “main-sequence” (MS) in the plot of SFR vs. stellar mass. s Main sequences of galaxies 100 10 1 0.1 0.01 Starburst (SB) SFR (M yr-1) Main Sequence (MS) 100 1000 Stellar Mass (x108 𝑴⨀) Elbaz+2007, AA 468, 33
生まれたての銀河はみつかったか?(1) ライマンα輝線銀河 水素原子(宇宙で最も多い元素)の数多いスペクトル線の中で最も基本的なライマンα(波長121.566nm)輝線を頼りに地上大望遠鏡による「広くかつ深い探査」で発見。 約百億年前の宇宙で大規模構造が見つかっている! 25” = 190 kpc SSA22 “Blob1” (Steidel et al. 2000) のすばる画像 (Matsuda et al. 2004)
生まれたての銀河はみつかったか?(2) サブミリ波銀河 波長800ミクロン~1ミリで、専用の地上望遠鏡を用いて探査することで発見。2009年に打ちあげられたハーシェル宇宙天文台で数全個に。 小さな原始銀河が衝突・合体していく過程で、星形成が活発に起こる。そして生まれたばかりの星はとても明るい。 するとそれによって星間物質中の塵が暖められ、赤外線を強く放射する。 サブミリ波では、この塵からの赤外線が赤方偏移(z=2~3)したものを捉えているのである。
星形成が活発な銀河は 「高光度赤外線銀河」 チリがなかったとしたらこのくらい明るい(星の光) 銀河の明るさ あたたかいチリからの赤外線 星の光は、チリに吸収されて、 くらくなってしまう 0.1 1 10 100 波長〔ミクロン〕
Herschel launched (14 May 2009) & discovered numerous submm galaxies Credit: ESA
第13回の問題 物質優勢、宇宙項ありの場合、現在の宇宙で (13.13) である。ここで 、 はそれぞれ (13.11) (13.12) 問13-1.過去の宇宙(赤方偏移 z )で (13.14) となることを示せ。 問13-2.現在の宇宙では(WMAP衛星の計測により) (13.16) と、宇宙項(ダークエネルギー)が宇宙膨張を支配している。ところが (13.11)で表わされるように、過去の宇宙では物質のエネルギーが重要 になる。宇宙項の寄与と物質の寄与が同じになる赤方偏移 z を求めよ。