第１３回 銀河の形成と進化 東京大学教養学部前期課程 2019年度S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。