松本浩典 京都大学理学部物理第二教室宇宙線研究室

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1 松本浩典 京都大学理学部物理第二教室宇宙線研究室
激動の宇宙　 －X線天文学入門－ 第一日目 松本浩典 京都大学理学部物理第二教室宇宙線研究室 2003年8月18日 西大和学園第一日目

2 人間をX線で見ると... キン骨マンbyゆでたまご 全く違う世界が見えてきます 2003年8月18日 西大和学園第一日目

3 宇宙も全く違った姿を見せます かに星雲＝中性子星のいる超新星残骸 普通の光 X線 2003年8月18日 西大和学園第一日目

4 銀河団:巨大な火の玉 普通の光 X線 銀河の集まり 数千万度の高温ガスの塊 注意：「ガス」とは単に「気体」という意味です。
2003年8月18日 西大和学園第一日目 注意：「ガス」とは単に「気体」という意味です。

5 話の内容 X線とは何でしょう？（予備知識解説） X線で見た宇宙 ブラックホール：光の監獄 宇宙の化学進化：人間は星の子供
ダークマター：宇宙の運命を握る見えない物体 2003年8月18日 西大和学園第一日目

6 講義中不明な点は、話途中でも構わないので、いつでも遠慮なく質問してください。
講義にあたってのお願い 講義中不明な点は、話途中でも構わないので、いつでも遠慮なく質問してください。 僕もみなさんがどんなことを不思議に思うのか知りたいです。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

7 X線とはなんでしょう？ X線といえば… レントゲン写真！！ 体が透けて見える！ ちなみにこれは、 X線を発見した レントゲンさんの
奥さんの写真です 結婚指輪 レントゲンさんは、１９０１年第１回目の ノーベル物理学賞を受賞しました。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

8 X線は光の一種！ 光とは電磁波と呼ばれる波動の一種です。 電場と磁場が 振動しながら 空間を伝わります。
2003年8月18日 西大和学園第一日目

9 X線は波長の短い光 光の種類 波長 普通の光＝可視光 0.00005cm程度 X線 原子一個分 0.00000001cm程度
2003年8月18日 西大和学園第一日目

10 我々の目について どうして我々の目は可視光を捕らえるのでしょうか？ なぜX線や赤外線じゃないのでしょうか？
鍵は、太陽の「スペクトル」にあります。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

11 スペクトルについて スペクトル 色んな波長の光が、どのくらいずつ混ざっているか。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

12 我々の目＝可視光専用カメラ ←光の量 沈む夕日。 可視光 赤外線 ←短い 波長 長い→ 太陽は可視光線をたくさん出すので、
太陽スペクトル ＝どの波長をどれだけ出すか ←短い　　波長　　長い→ ←光の量 可視光 赤外線 沈む夕日。 太陽は可視光線をたくさん出すので、 我々の目はそれを受けられるように進化した 2003年8月18日 西大和学園第一日目

13 光のエネルギー(E)は、波長(L)に逆比例します。
波長とエネルギーの関係 光のエネルギー(E)は、波長(L)に逆比例します。 E∝1/L 可視光：波長　L=5x10-7 mぐらい X線 ：波長　L=10-10 mぐらい X線の波長は可視光の5000分の1ぐらい。 だからエネルギーは5000倍くらい。 それほどエネルギーが高いので、人体も通過します。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

14 波長と温度の関係 短 波長 長 高 エネルギー 低 色 ガスの炎(2000度) たばこの火(600度)
短　　　波長　　　　長 高　　エネルギー　　低 色 ガスの炎(2000度) たばこの火(600度) 温度が高い物体ほど波長の短い光を出す。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

15 物体の温度(T)はその物体が出す光の波長(L)に逆比例。
X線を出す物体の温度は？ 温度はエネルギーの尺度のひとつです。 物体の温度(T)はその物体が出す光の波長(L)に逆比例。 T∝1/L 可視光を出す星: 太陽 6000度 X線の波長は可視光の5000分の1くらい。だから、X線を出すには、温度は5000倍、 すなわち、5000 X 6000度 = 3000万度！！！ X線は数千万度以上の超高温物体からしか出ない！ 2003年8月18日 西大和学園第一日目

16 X線を出す天体は存在するか？ 太陽＝宇宙の中では平均点の星(6000 度) 一番青い星(高温度)でも数万度 1960年代の普通の科学者
2003年8月18日 西大和学園第一日目

17 物理学者ブルーノ・ロッシ 「自然は人間よりもはるかに 想像力豊かである！」 1962年ロケットを打ち上げ、 初めて「X線星」を発見 ここ！
( ) 2003年8月18日 西大和学園第一日目

18 この実験を一緒に行ったのが… リカルド・ジャコーニー (1931年~現在) X線天文を切り開いた業績で、 小柴昌俊（日本）、
レイモンドデービス（米国） と共に、 2002年ノーベル物理学賞受賞！ (小柴、デービス両氏は ニュートリノ天文学の開拓) 2003年8月18日 西大和学園第一日目

19 一見不思議ですが… 可視光 X線 地球大気 X線は地球大気を貫通できません。 観測には人工衛星を使います 2003年8月18日
西大和学園第一日目

20 現在活躍中のX線天文衛星 アメリカ チャンドラX線衛星 ヨーロッパ諸国連合 XMMニュートン衛星 細かい構造まで くっきり見える
暗いものまで はっきり見える 2003年8月18日 西大和学園第一日目

21 日本の衛星 日本は継続的に衛星を打ち上げ続け、 世界をリードしてきました。 一番最近の衛星：あすか(1993-2001)
世界初の高エネルギー X線写真撮影装置 などの特徴 2003年8月18日 西大和学園第一日目

22 日本次期X線天文衛星ASTRO-E2 日本は2005年に次の衛星を打ち上げる 計画です。 ASTRO-E2
2003年8月18日 西大和学園第一日目

23 観測装置は手作り！ どこにも売ってないから… 京都大学、大阪大学、 宇宙科学研究所 マサチューセッツ工科大学 共同でASTRO-E2搭載用
X線CCDカメラを 開発中です。 精密なスペクトルを取れる のが特徴 2003年8月18日 西大和学園第一日目

24 実験風景図 2003年8月18日 西大和学園第一日目

25 X線で観測する意義 可視光＝普通の宇宙の姿 X線＝エネルギーが高い！ 発生場所のエネルギーも高い 何千万度の高温のような、
地上ではまずお目にかかれない世界、 宇宙の極限の姿を観測出来る！ 2003年8月18日 西大和学園第一日目

26 ブラックホ－ルからのX線 ブラックホールとは？ 広辞苑より
2003年8月18日 西大和学園第一日目

27 ブラックホール＝光の監獄 物体 光 脱出 重力弱 物体 光 脱出 重力中 物体 光 重力極大 ＝ブラックホール 2003年8月18日
光　脱出 重力弱 物体 光　脱出 重力中 物体 光 重力極大 ＝ブラックホール 2003年8月18日 西大和学園第一日目

28 脱出速度について ある星から脱出するにはどのくらいの速度で飛び上がったらよいか？ 質量M 速度ｖ 質量m 星の半径 R
飛び上がれる限界 = 無限遠 質量M 質量m 2003年8月18日 西大和学園第一日目

29 万有引力 全ての質量をもつ物体は、お互いに引き付けあっている。 質量M 質量m 距離R 力 F = GMm/R2
万有引力定数 G=6.67x10-11 N m2 /kg2 2003年8月18日 西大和学園第一日目

30 エネルギー保存則を使います 速度v 質量m 運動エネルギー = ½ mv2 位置エネルギー = mgh 高さh
運動中常に一定 万有引力の時は、位置エネルギーとして、 mgh の変わりに、-GMm/r を使います。 G: 万有引力定数 2003年8月18日 西大和学園第一日目

31 合計が保存するので、mv2/2 – GMm/R = 0 これを解いて、v=(2GM/R)
運動エネルギー=0 位置エネルギー=-GMm/=0 速度ｖ 星の半径 R 質量M 質量m 合計が保存するので、mv2/2 – GMm/R = 0 これを解いて、v=(2GM/R) 従って v = (2GM/R) この速度以上で飛び立てば脱出できる。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

32 地球の脱出速度 地球の場合、 質量M = 6x1024kg 半径R=6000km 脱出速度は
v = (2GM/R)=11 km/s = 時速40000km 2003年8月18日 西大和学園第一日目

33 光速を超えることは不可能 どんな物体も光速を超えて動くことは不可能。 自然はそういうふうに出来ている。
アルバートアインシュタイン(1879 – 1955) が相対性理論を作って、初めてこのことに気が付いた。 その後、数限りない実験でこの事は証明されている。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

34 脱出速度が光速だったら… 脱出速度: v = (2GM/R) が光速 c だったら、 c = (2GM/R)
これを解いて、R=2GM/c2 もし質量Mの星の半径が、2GM/c2 より小さかったら、脱出速度が光速以上になるので、何物も星から脱出できない！光すら出てこないので、黒く見えるはず。 こういう星をブラックホールといいます。 注意:本当はここの計算には相対性理論を用いなければいけません。 でも結果は同じです。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

35 ブラックホールになるには R = 2GM/c2 : ブラックホール半径 太陽の場合、 M = 2x1030 kg
従って　R = 3000 m = 3km 地球の場合 M = 6x1024kg 従って R = 0.009m = 0.9cm もし太陽や地球がこのくらいの大きさまで縮んだらブラックホールになります。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

36 なぜ X 線が出てくるのか どんなものも中から出てこられないのに、なぜ ブラックホールはX線で光るのでしょうか？
2003年8月18日 西大和学園第一日目

37 X線連星系 ブラックホール 伴星 落下する物質 X線 2003年8月18日 西大和学園第一日目

38 ブラックホール近傍拡大図 X線 ブラックホール
2003年8月18日 西大和学園第一日目

39 どのくらいの温度になる？ 落ち込む物質はほとんど水素。 運動エネルギー E = ½ mv2 = ½ mc2 = 7.7x10-11J
ここで、m = 1.7x10-27 kg, c = 3x108 m/s エネルギーと温度の変換：E = kT ボルツマン定数　k = 1.4x10-23 J/度 kT = ½ mc2 従って、T = ½ mc2 / k = 5.5x1012度 = 5.5兆度！ 現実世界はもっと複雑で、数千万度くらい。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

40 ブラックホールの種類 つい最近まで、ブラックホールには次の二種類しかないと思われてきました。 小質量ブラックホール 太陽の10倍くらいの質量
大質量ブラックホール 太陽の百万倍から10億倍の質量 2003年8月18日 西大和学園第一日目

41 小質量ブラックホール 太陽の10倍くらいの質量のブラックホール X線写真 白鳥座X-1 もっとも有名な 小質量ブラック ホール
2003年8月18日 西大和学園第一日目

42 白鳥座X-1 想像図 一番最初に発見されたブラックホール(候補)。 1971年、日本の小田稔博士による。 太陽の33倍の質量の星
太陽の15倍程度の質量のブラックホール 想像図 一番最初に発見されたブラックホール(候補)。 1971年、日本の小田稔博士による。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

43 大質量ブラックホール ほとんどの銀河の中心にある、太陽の百万倍 以上もの質量を持つブラックホール M87銀河 X線写真 ジェット
乙女座銀河団の 中心の巨大銀河 可視光写真 10光年 巨大ブラックホール 2003年8月18日 西大和学園第一日目

44 我々の住む天の川銀河にもいる！ 銀河中心X線写真 30光年 大質量ブラックホール 天の川銀河を横から見た図 2003年8月18日
西大和学園第一日目

45 ブラックホール誕生の謎 小質量ブラックホール（太陽の10倍） 星が寿命を終える時に起こす大爆発、 超新星爆発でできる。(アニメーション)
大質量ブラックホール（太陽の100万倍以上） どうやって出来るの？成長する？ 中間の奴が 見つからない 2003年8月18日 西大和学園第一日目

46 中質量ブラックホールを発見 M82銀河 中間のサイズの ものがいた！ ブラックホール 太陽質量の1万倍ぐらい は成長する！
の中質量ブラックホール 中間のサイズの ものがいた！ ブラックホール は成長する！ 2003年8月18日 西大和学園第一日目

47 ちなみに… ニューヨークタイムズ2000年9月13日 手前味噌ですが….. 我々が中質量ブラックホールを 発見しました。
朝日新聞2000年9月13日 ニューヨークタイムズ2000年9月13日 ちなみに… 手前味噌ですが….. 我々が中質量ブラックホールを 発見しました。 2003年8月18日 西大和学園第一日目

48 一日目のまとめ X線は、可視光と同じ光の仲間。ただし、波長が極めて短くエネルギーが高い。従って、X線で宇宙を見ると、高エネルギーの世界ばかりが選択的に見える。 ブラックホールでは、落ち込む物質が数千万度の高温度になり、X線を出す。 2003年8月18日 西大和学園第一日目