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宇宙の不思議・暗黒物質
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宇宙・銀河



重力波を発見「重力波」、米で初観測した場所・LIGO(28.2.12)



LIGOのデビッドライツ博士がアメリカで重力波を初観測したと発表 ワシントン



重力波を初観測した発表を聞くカルテックのキップ スローン博士


LIGO ワシントン


LIGO ワシントンの内部


LIGO ルイジアナ


LIGO レーザー光線


レーザー光線干渉装置を調整する所員 ルイジアナ





重力波が顕著に発生する宇宙の場所・ブラックホールの衝突



2つのブラックホールが衝突したCG画像


マーカリアン231 中央に2つのブラックホールを観測 NASA




重力波を発見アインシュタイン予言の「重力波」、米で初観測(28.2.12)

】米カリフォルニア工科大と米マサチューセッツ工科大などの研究チームは11日、物理学者アインシュタイン(1879~1955年)が100年前に一般相対性理論で存在を予言した重力波について「初めて観測した」と発表した。

 これまで直接観測した例はなく、宇宙初期の状態などを重力波で観測する「重力波天文学」の道を開く成果だ。

 重力波は、物体の重さが時間と空間(時空)にゆがみを作り、物体が運動した時、そのゆがみがさざ波のように、光速で宇宙に伝わる現象。物体が重くて速く動くほど、強い重力波が出る。

 研究チームによると、米国にある巨大観測装置LIGOライゴが昨年9月14日、重力波を検出した。質量が太陽の29倍と36倍のブラックホールが13億年前に合体した時に、太陽3個分の質量がエネルギーとなった重力波が発生し、地球に届いたとみられる。ブラックホールが合体する瞬間を捉えたのも、世界初の快挙となる。

 ワシントンで11日に記者会見したデビッド・ライツLIGOリーダーは「我々は重力波を手に入れた」と宣言。会場から、大きな拍手が起きた。
---読売新聞(28.2.12)



「重力波」、米チームが初観測 アインシュタインが予言(28.2.12)

100年前にアインシュタインが存在を予言し、世界の研究者が観測を目指していた「重力波」について、米国の研究チームが11日、初めて観測したと発表した。最終的に確認されれば理論が実証されたことになり、物理学の歴史的な成果となる。光や電波ではわからない宇宙の姿を探る新たな天文観測にも道が開ける。

 重力波は、時間や空間がわずかに伸び縮みする「時空のひずみ」がさざ波のように伝わる現象。物体が加速して動くときに起こる。アインシュタインが1916年、一般相対性理論から予言していた。その観測は「最後の宿題」とされ、物理学の長年の悲願だった。

 重力波はあらゆる運動で生じるとされるが、極めて微弱で通常は観測できない。このため、星の合体などで生じた大きな重力波をとらえることになる。研究チームは米国2カ所にある装置「LIGO(ライゴ)」の性能を大幅に高め、昨年9月から今年1月上旬まで観測、分析作業を進めていた。
ーーー朝日新聞(28.2.12)



一般相対性理論の正しさを改めて裏付け

 物理学者のアインシュタインが100年前に予言した「重力波」を探索している米マサチューセッツ工科大など米国を中心とした国際研究チーム「LIGO(ライゴ)」は12日未明、宇宙からやってきた重力波を初めて直接観測することに成功したと発表した。重力波の存在を予言したアインシュタインの一般相対性理論の正しさを改めて裏付けると共に、宇宙誕生のなぞや、光や電波では観測できない天体現

 重力波は、ブラックホールなど質量の非常きな物体が動く際、周りの時空(時間と空間)がゆがみ、そのゆがみが波のように伝わる現象だ。アインシュタインが1915〜16年に発表した一般相対性理論に基づき予言した。この理論は、宇宙の膨張やブラックホールの存在を示す数多くの観測などから正しさが確かめられてきたが、重力波による時空のゆがみは極めて小さいため、観測に成功した例はこれまでなかった。

 LIGOの重力波検出装置は、1辺4キロの管をL字形に配置。直角に交わる部分から2方向にレーザー光を同時に放ち、4キロ先の鏡によって戻ってきた光を重ね合わせる仕組みだ。重力波によって時空がゆがみ、光源と鏡との間の距離がわずかに変化するのを、重ね合わせたレーザー光のずれなどから検出する。

 LIGOは昨年9月から今年1月まで実施した観測のデータを詳しく分析。昨年9月に二つのブラックホールが合体した際に出た重力波を観測したとしている。

 LIGOチームは、米マサチューセッツ工科大と米カリフォルニア工科大を中心に15カ国の大学に所属する1000人以上の研究者が参加。2002〜10年の観測では成功しなかったが、検出器の性能を向上させ、15年に観測を再開した。【河内敏康】

重力波

 質量を持った物体が動いたとき、周囲の時空(時間と空間)にゆがみが生じ、そのゆがみが光速でさざ波のように宇宙空間に伝わる現象。物理学者アインシュタインが1915〜16年に完成させた「一般相対性理論」でその存在を予言した。宇宙の誕生直後に放出されたほか、重い天体同士が互いの周りを回る連星や、ブラックホールの合体などでも生じると考えられている。米国の「LIGO」のほか、欧州でも「VIRGO」(バーゴ)という検出装置が稼働中。日本でも東京大宇宙線研究所などが大型低温重力波望遠鏡「KAGRA(かぐら)」(岐阜県飛騨市)を建設し、昨年ノーベル物理学賞を受賞した梶田隆章・同所長らが検出を目指している。

ーーー毎日新聞(28.2.12)






宇宙の構成・物質

宇宙の構成

宇宙の構成:暗黒エネルギー(ダークエネルギー)65%、ダークマター【暗黒物質)30%、水素とヘリウム4%、星0.5%、重元素0.03%仮性中性子、




宇宙の物質:創世記と現在の比較
137億年前;ダークマター(暗黒物質)63%、光子15%、原子12%、ニュートリノ10%
現在;ダークエネルギー72%、ダークマター(暗黒物質)23%、原子4.6%


技術の進歩とともに天文台の大型望遠鏡へ、さらに現代では電波・赤外線・X線等の電磁波の人工衛星等を用いた観測が行われている。こうした観測技術の発達により、それまで観測が難しかった宇宙線(ニュートリノや電子、陽子・原子核といった宇宙から飛来する粒子)も捉えられるようになり、宇宙の未解決問題を解くカギとして期待されている。


宇宙の構成物質

現在、宇宙物理学・素粒子物理学で最も解明が急がれているのは「暗黒物質」に関する問題だ。これは観測が困難な仮説上の物質で、その正体は不明だが、しかし銀河の回転速度や重力レンズ効果、宇宙背景放射の観測などから、光を出さずに質量のみを持つ未知の物質の存在が予測されている。それらの観測によると宇宙の全質量のうち、観測できるものはわずか5%であり、残りの95%は正体不明の暗黒物質と暗黒エネルギーで占められていることになる。

暗黒物質の存在を確かめるためには、宇宙を飛び交う電磁波、宇宙線や高エネルギーガンマ線(紫外線やX線よりもはるかに高いエネルギーを持つ)等を詳細に調べる必要がある。日本では、「きぼう」の船外実験プラットフォームに「高エネルギー電子、ガンマ線観測装置」(CALET)を設置して長期にわたって観測している。
---JAXA



宇宙の大規模構造

銀河はなぜ、網の目状に分布しているのだろうか?その原因となったのが、暗黒物質(ダークマター)。重力は働くものの、光で観測することのできない、いまだ正体不明の物質だ。かつてこの宇宙では、暗黒物質(ダークマター)が周囲よりわずかに多い部分に、重力によって一層多くの暗黒物質(ダークマター)が集まり、立体的な網の目のような「大規模構造」が作られていったと考えられている。暗黒物質(ダークマター)の多い部分には普通の物質もより多く集まるので、この大規模構造をなぞるようにして、やがて銀河が誕生した。

宇宙の大きさが現在の約1/40であった約130億年前から現在までに、宇宙の大部分の質量を担うダークマターの分布や運動がどのように進化した様子のシミュレーション画像。
宇宙初期ではダークマターはほぼ一様に分布していた。しかし、わずかな密度のゆらぎも存在した。これが宇宙の大規模構造の種になる。

最初の宇宙暗黒物質均等--宇宙が膨張ーー最大の銀河は太陽の10の15乗の規模--宇宙の大規模構造(国立天文台宇宙プロジェクト提供)



宇宙の進化1【動画】暗黒物質(ダークマター)と銀河の形成

[動画の説明] 青がダークマター、白が形成された銀河を示す。粒子をすべて半透明なポリゴンとして表示し映像化。
最初の立方体の大きさは、一片が現在の3億光年に相当。
映像は、36秒かけて130億年の宇宙の(一部の領域の)進化を映像化している。映像の後半部分は、宇宙の大規模構造を見て回っている。
ーーー国立天文台宇宙プロジェクト提供



宇宙図:宇宙の歴史

この宇宙図は、地球が中心軸として作成。この軸は時間の流れを表し、下から上にかけて、宇宙の誕生から、人間の誕生までの時間軸。宇宙の歴史の詳細は悠久な世界3を見る
太陽系と地球の誕生は、およそ46億年前。太陽系の歴史の詳細は悠久な世界2を見る  右下の箱(それ以前に描かれている、長さの異なるグレーの帯)は、その時の個別の星の一生を表す。太陽や地球、人間の身体を作る物質が、過去に何度も繰り返されてきた星の元素生成の進展の結果、原子が形成され物質ができ、更に人間ができたことが判る。地球の歴史の解説項目には、宇宙と地球、そして生命の進化に関係の深い出来事を表示。人間の歴史の詳細は悠久な世界1を見る


        

宇宙の進化2:素粒子から原子

宇宙の進化【概要】


宇宙誕生から約130億年後;大規模構造の形成






宇宙誕生から約65億年後;ダークマター分布のゆらぎが成長




宇宙の形成始まる(シュミレーション);ほぼ一様分布のダークマター



















ビッグバンから宇宙の歴史が始まる





ビッグバン直後の宇宙では、超高温の中で、さまざまな粒子が飛び交っている。

宇宙は誕生直後、とてつもない大量のエネルギーによって加熱され、超高温・超高密度の火の玉となったのがビッグバンの始まり。その中で、光(光子)を含む、大量の素粒子が生まれる。

ビッグバンのすさまじい高温は、その直前まで宇宙に満ちていたエネルギーが熱に変化したものだ。宇宙は誕生直後からビッグバン直前までの10の34乗分の1秒の間に、「インフレーション」と呼ばれる、数十桁も大きくなるような猛烈な加速膨張を起こした








宇宙の膨張にしたがって、宇宙が冷えてくると、何種類もある素粒子のうち、クォークと呼ばれるものが結びついて、陽子と中性子ができる。








陽子と中性子が結びついて、原子核ができる。水素原子の場合は、陽子ひとつがそのまま原子核となる。



原子が形成され、原子とプラズマの世界を経て、恒星が形成され、次に銀河が形成される。
太陽系がうまれる。






ビッグバンで大量の素粒子が生まれ、素粒子の、ひとつが「粒子」で、もうひとつが粒子と反応すると光を出して消滅してしまう「反粒子」。何らかの理由で、粒子よりも反粒子の方が10億個に1個ほど少なかった為に、宇宙のごく初期に反粒子はすべて消滅し、わずかに残った粒子が、現在の宇宙の物質のもととなった。






現在の宇宙膨張を加速させているダークエネルギーと同じ、しかしその100桁以上もの驚異的な大きさをもった「真空のエネルギー」が、生まれたばかりの宇宙空間を倍々に膨張させていったのではないかと考えられている。このインフレーションとともに、この宇宙には、時間と共に空間が広がり始めた。


宇宙の大規模構成を形成する








---宇宙図(財)科学技術広報財団










暗黒物質(ダークマター)

暗黒物質・ダークマター


暗黒物質
(あんこくぶっしつ、dark matter )とは、宇宙にある星間物質のうち電磁相互作用をせずかつ色電荷を持たない、光学的には観測できないとされる仮説上の物質である。「ダークマター」とも呼ばれる。"人間が見知ることが出来る物質とはほとんど反応しない"などともされており、そもそも本当に存在するのか、もし存在するとしたらどのような正体なのか、何で出来ているか、未だに確認されておらず、不明のままである。



宇宙の暗黒物質の存在を示唆する観測が報告されている。銀河の回転速度、弾丸銀河団のような銀河団による背景物体の重力レンズ効果、そして銀河および銀河団を取り巻く熱い気体の温度分布などの観測結果である。

暗黒物質は人間や地球を構成する普通の物質とは全く異なる性質を持つ。目には見えず、電気的に中性でほとんどの物質を通り抜けてしまうため、観測は極めて困難だ。“暗黒世界”の物質を意味する「ダークマター」とも呼ばれる。

 1930年代にその存在が予測され、70年代以降は銀河の回転速度などの観測から、宇宙に大量に存在することが判明。宇宙は137億年前の誕生直後、暗黒物質の密度がわずかに高い場所に普通の物質が引き寄せられ、そこに銀河が形成されて今日の姿になったと考えられており、暗黒物質は宇宙進化の重要なカギを握ることも分かってきた。

 その正体は当初、重い天体や素粒子ニュートリノなどが候補とされたが、現在は「超対称性粒子」と呼ばれる未知の素粒子との見方が有力だ。

 今回の観測が新粒子の発見につながれば、物質の根源を探る素粒子物理学でも新たな地平を開くことになる。

暗黒物質の探索は宇宙基地だけでなく、CERNの巨大加速器や、岐阜県飛騨市にある東大宇宙線研究所の地下施設などでも行われており、発見競争は加速しそうだ。(2013年04月04日 )











暗黒物質・ニュース

暗黒物質・ニュース


宇宙の「暗黒物質」の痕跡か 国際チームが観測(CNN、2013年4月5日)

欧州合同原子核研究機関(CERN)は3日、宇宙の成分の4分の1を占めるとされる謎の物質「暗黒物質」の存在を示す痕跡を国際研究チームが捉えた可能性があると発表した。

研究チームは国際宇宙ステーション(ISS)の外側に取り付けたアルファ磁気分光器(AMS)という装置を使い、宇宙線の中の陽電子を観測。CERNは声明で、今回の観測では宇宙で暗黒物質同士がぶつかって消滅する際に発生する陽電子を捉えた可能性があると説明。ただし、他の説明を除外できるほど十分な証拠が得られたわけではないという。

宇宙の組成のうち、原子は全体の5%程度に過ぎず、残りは直接見ることも感じることもできない物質だと言われている。全体の約71%を占めるのが「暗黒エネルギー」で、残る24%が暗黒物質だ。

AMSは16カ国の科学者が共同で運用。2011年6月のスペースシャトル「エンデバー」の最終ミッションでISSに運ばれた。

研究チームを率いるマサチューセッツ工科大学のサミュエル・ティン教授は、「現時点で宇宙線陽電子の流れに関する最も正確な計測であり、AMSの力と能力をはっきり示している。AMSはあと数カ月のうちに、これらの陽電子が暗黒物質の痕跡なのか、それとも別の起源を持つのかの結論を示してくれるはずだ」と語る。

暗黒物質関する研究は、CERNの世界最大級の加速器「大型ハドロン衝突型加速器」を使っても行われているほか、世界各地の研究機関が取り組んでいる。(4.5.2013)






「暗黒物質」に手がかり 未知の素粒子の可能性 国際チーム (25.4.4、日経新聞)

 
 米航空宇宙局(NASA)や欧州合同原子核研究機関(CERN)などの国際チームは4日未明、宇宙に大量に存在する「暗黒物質」を知る手がかりとなる観測データを得たと発表した。暗黒物質が未知の素粒子である可能性を強めるデータで、星の誕生や銀河の形成などの解明につながると期待される。

 成果は米科学誌フィジカル・レビュー・レターズ(電子版)に近く掲載される。暗黒物質は様々な観測結果から存在することはほぼ確実だが、光や電波を出さないため、詳しい正体は分かっていなかった。ただ暗黒物質が衝突して壊れた後は、電子とは反対のプラスの電気を帯びた「陽電子」が大量に出ると予想されていた。

 国際チームは国際宇宙ステーションに設置した特殊な観測装置で宇宙空間に飛ぶ陽電子を測定。詳しくデータを解析したところ、陽電子の数が予想される量を大きく上回った。陽電子は様々な方向から飛んできており、暗黒物質が壊れたことにより出たとみられるという。ただ研究チームは「ほかの天体から出た可能性もあり、数カ月内にはっきりするだろう」としている。


暗黒物質

 今回の成果は、暗黒物質の正体が理論的には存在が指摘されているが発見されていない「超対称性粒子」と呼ばれる未知の素粒子である可能性を示唆するという。これまでもイタリアやロシアなどのチームが同様の観測データを得たと発表したが、その内容が正しいと裏付けることにもなる。

 研究に参加する台湾中央大学の灰野禎一助教は「さらにデータを集めれば暗黒物質の正体に迫れるかもしれない」と話している。

最先端の宇宙ミッションを推進し暗黒物質の謎の解明に挑む

2012年7月、スイスのCERN(セルン;欧州原子核共同研究機構)の世界最大の衝突型円型加速器で新たな粒子が発見され、この粒子が宇宙理論における質量の起源を証明するヒッグス粒子ではないかというニュースが世界中を湧かせた。

 現在の宇宙理論では、我々の宇宙はその誕生後、質量のない素粒子が光速で行き交い、やがて真空の対称性が破れて抵抗が存在するヒッグス場の海によって質量が誕生したと考えられている。質量という、いわば万物の起源を証明するものとして、別名「神の粒子」とも呼ばれるヒッグス粒子の存在の発見によって「素粒子の標準模型」がほぼ完成することになる。

 しかしながら、現在の素粒子物理学においては「標準模型」では説明できない多くの課題がある。その一つとして、重力、弱相互作用、電磁気力、強相互作用の4つの力の統一問題がある。このうち、弱相互作用と電磁気力は、理論的にも実験的にも統一出来ることがわかっているが、その他の力との統一は、「超対称性理論」や「超弦理論」で現れる「標準模型」には存在しない重い粒子が必要となる。

 じつは宇宙の物質のうち、現在の理論で説明できるもの、存在が分かっているものは、全体のわずか4%にすぎない。残り96%の内、「暗黒物質(dark matter)」と呼ばれる未知の物質が23%を占め、あとの73%は「暗黒エネルギー(dark energy)」とされている。暗黒物質は宇宙構造の観測などから「弱い相互作用をする重い粒子:Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)」であることが分かっており、素粒子物理学で必要とされる新たな粒子である可能性がある。このように、暗黒物質と新たな粒子の発見は、宇宙の起源や進化の謎を解明し、宇宙理論の最先端を切り開くだけでなく、素粒子物理学にも大きな展望を与える、きわめて重要かつチャレンジングな研究テーマである。








暗黒物質;今までに判明した最新情報




宇宙の物質:
137億年前;ダークマター(暗黒物質)63%、光子15%、原子12%、ニュートリノ10%
現在;ダークエネルギー72%、ダークマター(暗黒物質)23%、原子4.6%




宇宙の構成:ダークエネルギー65%、ダークマター【暗黒物質)30%、水素とヘリウム4%、星0.5%重元素0.03%仮性中性子、






宇宙における暗黒物質の分布状況(NASA,ESA)




宇宙における暗黒物質の分布状況(NASA,ESA)




上の図の「スライス」は、 65 億 から35 億前まで、ブラックマター(暗黒物質)の進化を示す図図はどのように宇宙暗黒物質が形成されてきたか構造理論確認する想定図示しす(資料: NASA
ハッブル宇宙望遠鏡を用いた天文者の国際チーム宇宙大規模な暗黒物質分布三次元マップ初めて作成した。(2007年1月)
暗黒物質目に見えない物質で宇宙の質量で普通の物質(原子)の、宇宙 5 以上を占める。暗黒物質性質まだ不明だが、その存在は宇宙銀河銀河クラスター影響力があり重力宇宙構造進化に影響したと推論されている暗黒物質最初直接の検出は、この過去 1 年に弾丸銀河観測を通してなされた

この
新しいマップは、通常物質暗黒物質密度濃度に沿って銀河を形成した今までの最高の蓄積された証拠を提供するものだマップは、時間かけて成長したフィラメント緩いネットワーク銀河団場所大規模に交差する構造を明らかにした。
マップは、宇宙の開始時期の中途まで戻り、いかに暗黒物質が重力崩壊をしながら「塊」成長している様子を示す

ダークマター暗黒物質)地図は、半分百万個銀河形状測定により作成されたハッブル宇宙望遠鏡「弱い重力レンズ効果」を利用し、偏向中間質量分布再構築した。「重力レンズ効果」と呼ばれる手法を用いて、視野内のダークマターの分布を調べた。目には見えないダークマターも、「質量」は持っている。ある場所に質量を持つ物質がより集中して分布していると、相対論的効果によって背景の天体の像にゆがみ (重力レンズ効果) が生じる。この「ゆがみ」の程度によって、そこにどれだけの質量があるのかを推定できる。


COSMOS天域で得られた、暗黒物質(ダークマター)の2次元分布(青色に等高線付きで示されている)と通常の物質(バリオン)の2次元分布 (赤色で示されいる)。
2次元分布とは、天球面に投影した分布を意味する(Richard Massey et al.)。




説明: 左図は手前に何もない場合の遠方のクェーサーの見え方を表わす。右図は手前に銀河がある場合にその質量による重力レンズ効果を受けた遠方クェーサーの様子を表したもの。手前の銀河のより近くを通して見えるクェーサーは明るく見える。(Image credit: Joerg Colberg, Ryan Scranton, Robert Lupton, SDSS,



一方、すばる望遠鏡は、多色撮像観測を行いて約50万個の銀河の距離を推定に成功し、これらの値をハッブル宇宙望遠鏡の結果と合わせて解析すると、重力レンズ現象を引き起こしているダークマターの距離が推定でき、これにより、ダークマターの3次元的な空間分布 を世界で始めて明らかにした。ダークマターもまた、大規模構造を形成していることが明らかになった。 これを、銀河の3次元分布と比較した結果、銀河はまさにダークマターの作る大規模構造の中に分布していることがわかった。


図2: COSMOS天域で得られた、暗黒物質(ダークマター)の空間分布。天の川銀河からの距離は上から下に行くほど大きくなり、一番下までの距離は約80億光年。 (Richard Massey et al.)

この観測で「ダークマターの作る大規模構造の中で、銀河が形成され、進化してきた」というシナリオが観測的に検証されたことになる。





「暗黒物質の塊」の中で育まれる銀河の想像図。(青色(疑似カラー)のもやもやが暗黒物質、青白いほど密度が高い)(提供:国立天文台)

米国宇宙望遠鏡科学研究所、国立天文台などからなる研究チームは、すばる望遠鏡を用いて、約120億光年彼方にある生まれて間もない銀河が「暗黒物質の塊」の中にある証拠を得ました。さらに、その「暗黒物質の塊」の中には銀河が1個とは限らず、時には複数の銀河が育まれていることを世界で初めて発見しました。(2006年1月6日)

研究チームは、すばる望遠鏡の主焦点カメラを用いて、くじら座とかみのけ座の方角の広い2つの領域(SXDS、SDF(注))を観測し、約120億光年彼方にある生まれて間もない銀河を数多く見つけた。それらの銀河の「群れ方」を詳細に調べ、理論モデルが予測する群れ方と比較することにより、生まれて間もない銀河が確かに暗黒物質の塊の中にあり、時には1つの暗黒物質の塊の中に複数の銀河がある観測的な証拠を、この2つの領域で独立に得た。

この研究により、宇宙初期の時代において、現在の主流である冷たい暗黒物質による銀河形成理論の予言通り、若い銀河が暗黒物質に包まれていることを、初めて明確に裏付けた。生まれて間もない銀河は、あたかも雛鳥のように「暗黒物質の塊」という巣の中ですくすく育っていた。さらにその巣の中で雛鳥が2、3羽仲良く寄り添っている場合も発見された。




上の2 つ偽色画像は、宇宙暗黒物質 (青、右) 通常物質 (赤、左) 分布比較図。明るさ質量密度対応して示し、比較宇宙でどのように構造進化するのか、洞察力提供するもの(資料: NASAESAカリフォルニア工科大学)











暗黒エネルギー・ダークエネルギー

暗黒エネルギー・ダークエネルギー


ダークエネルギー暗黒エネルギー, dark energy)とは、宇宙に存在するエネルギーの半分以上を占めるとされるが正体が明らかでないエネルギーである。「真空のエネルギー」が有力な候補の一つとされている。
ダークエネルギーとは、宇宙全体に広がって負の圧力を持ち、実質的に「反発する重力」としての効果を及ぼしている仮想的なエネルギーである。この単語は、宇宙論研究者のマイケル・ターナーが1998年に初めて作った言葉であるとされる。現在観測されている宇宙の加速膨張や、宇宙の大半の質量が正体不明であるという観測事実を説明するために、宇宙論の標準的な理論(ロバートソン-ウォーカー計量)にダークエネルギーを加えるのが現在最もポピュラーな手法である。この新しい宇宙論の標準モデルをΛ-CDMモデルと呼ぶ。


素粒子の種類:プロトン(陽子)ニュートロン(中性子)ダークマター(暗黒物質)ダークエネルギー(暗黒エネルギー)フォトン(光子)ニュートリノ〈サイズは不正確〉

暗黒エネルギーは宇宙空間の遍くすべてを満たしており「真空のエネルギー」とも呼ばれる。その力は銀河同士のスケールでのみ働き、銀河内部以下のスケールまでは及ばない(今のところ)。そのエネルギー密度は常に一定である。つまり宇宙が膨張してその体積が増えれば増えるほど暗黒エネルギーは際限なく増していく。




宇宙のダークエネルギーとダークマター(暗黒物質)の競争:ダークエネルギーは拡張しようとし、ダークマターは押させ込もうとし、宇宙は時間と共に拡張し、ダークエネルギーの膨張力の方が勝る。







暗黒エネルギー(ダークエネルギー)・ニュース  最新情報

暗黒エネルギーニュース



独・ルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘンと英・ポーツマス大学の研究チームは、比較に使うCMBの温度分布図と近傍宇宙の銀河地図を改良し、2年にわたる研究でザックス・ヴォルフェ効果の検出に対するすべての疑問を吟味した。その結果、99.996%の確率で暗黒エネルギーが存在し、さらに暗黒エネルギーがCMBの温度分布図上のより温度の高い領域の原因となっていると結論づけた。(2012年9月18日)
CMB:宇宙マイクロ波背景放射(cosmic microwave background (radiation); CMB、CMBR)は、天球上の全方向からほぼ等方的に観測されるマイクロ波である。





銀河分布とCMBの分布の観測データを殻状に視覚化したもの。図中、左から右へ行くほど、時間をさかのぼる。より銀河の集まっている密度の高い領域は赤、より密度の低い領域は青で示されている。(提供:NASA/BlueEarth; Milky Way: ESO/S. Brunier; CMB: NASA/WMAP)



南米チリにあるアメリカのセロ・トロロ汎米天文台で、口径4mのブランコ望遠鏡に搭載された「ダークエネルギーカメラ」(DECam)による初画像が公開された(下画像)。80億光年までの銀河を一度に10万個とらえることができるという高性能で、銀河団、超新星、重力レンズ効果(暗黒物質を含んだ銀河団などの大質量天体により、その向こう側の遠方天体の像が変形して見えること)といった、暗黒エネルギーを研究するためのあらゆる観測調査を行うことができる。




「ダークエネルギーカメラ」で撮影した6000万光年かなたの「ろ座」銀河団。クリックで拡大(提供:Dark Energy Survey Collaboration)




ダークエネルギーの末路=宇宙の末路
暗黒エネルギーは宇宙の末路を左右する。幾つかあるシナリオの中で最悪のものは暗黒エネルギーの密度が時間と共に増えていくというものである。そうなるとそれまで銀河同士でのみ働いていた暗黒エネルギーの膨張力がやがて銀河内スケールへ、太陽系内スケールへ、惑星内スケールへと及ぶようになり最終的には自然界の4つの相互作用(重力・電磁気力・弱い核力・強い核力)をも上回って宇宙の全存在が素粒子のレベルにまで引き裂かれる所謂「ビッグリップ」と呼ばれる現象であるが、これはまず起こらないだろうというのが科学者の予測である。暗黒エネルギーの密度が増していく兆候は今のところ見られないからだ。

他のシナリオは、暗黒エネルギーの際限なき膨張力は銀河の間をついには超光速の域にまで押し広げ、天の川銀河はやがて孤独な存在となるだろう。
星の生成と死を繰り返すうちにやがて銀河内の水素ガスは尽き、新しい星はつくられなくなる。銀河内の星は重いものから順に滅んでいき、銀河内はやがてブラックホール、中性子星、白色矮星、赤色矮星のみになっていく。
赤色矮星は数兆年で燃え尽き、白色矮星もまた冷えて燃え殻と化す。そしてこれらは大統一理論が齎す最後の破局、陽子崩壊によって完全に消滅する。
残る中性子星とブラックホールは互いに飲み込みあい、銀河はやがて巨大なブラックホールばかりが集まる集団となる。だがブラックホールも永遠の存在ではない。その間も暗黒エネルギーによる宇宙の膨張は続き、その温度は下がり続けていく。そしてその温度がブラックホールの温度を下回ったとき、ブラックホールの蒸発が始まる。
ブラックホールは小さい順から次々と蒸発し、最後は爆発して消滅する。
このころになると宇宙における時間と空間を図る指標が消えて行くため時空は次第に曖昧な存在となる。
そして最後のブラックホールが消えると宇宙に残されるのは電子、ニュートリノ、光子、重力子のみとなる。ボソンである光子と重力子は粒子としての実体を失い、巨大な一つの電磁場、重力場になる(ボース・アインシュタイン凝縮)フェルミオンである電子とニュートリノは低いエネルギーレベルの合間でひしめき合い、中にはパウリの排他律で飛び出す粒子もあるだろう(フェルミ凝縮)。
そしてついに宇宙の温度は限りなく絶対零度に近づく。だが完全なゼロにはならない。ハイゼンベルクの不確定性原理により空間も時間もない完全な「無」は存在しないからだ。やがて宇宙はビッグバンの前と同じ、曖昧な時空とエネルギーの量子ゆらぎのみが存在する「無」へと帰っていく。



宇宙のダークエネルギの行く末
1.ビッグクランチ  2.無限の拡大  3.ビッグリップ(ダークエネルギーが不安定化し、根本の素粒子まで引き裂かれる)



宇宙の行く末:3つのシナリオ  1.ビッググリップ、2.冷えた宇宙  3.ビッグクランチ




宇宙の運命:4つのシナリオ  1.再崩壊宇宙  2.危険な宇宙  3.惰性継続宇宙 4.加速拡大宇宙











ブラックホール


ブラックホール
小規模なブラックホールは超新星爆発のときに生じる。質量が太陽の数億倍もあるような大規模なブラックホールは銀河中心で観測されているが、まだ成因はよく分かっていない。恒星規模のブラックホールが銀河系内にいくつくらい存在するのか、その質量分布がどのような物か、等も未だ明らかではないため、これは暗黒物質の候補となる。また、原子核大の極微小ブラックホールも多量に存在しているかも知れない。さらに、宇宙誕生後3分頃に生成されたブラックホールについては、上記のバリオン存在量の制限から逃れることができる。
ブラックホール2
理論上の存在であり直接観測は成功していない。特定のエリアにおいてブラックホールが存在すると想定される場合、理論的に予想される物質の運動に相当する宇宙ジェットや降着円盤、ブラックホールに吸い込まれていく物質が出すと理論的に予想されるX線は観測されている。これらのことから、ブラックホールが存在することはほぼ確実と多くの科学者からは見なされている。
生成過程としては、大質量の恒星が超新星爆発した後、自己重力によって極限まで収縮することや、巨大なガス雲が収縮することが考えられている。外部世界との境界は事象の地平面 (event horizon) と呼ばれる。超新星爆発後は、太陽質量の10倍から50倍のブラックホールが生成されると考えられているが、銀河の中心には太陽質量の×106から×1010倍程度の“超大質量ブラックホール” (super-massive black hole) が存在すると考えられている。20世紀末には両者の中間の領域 (太陽質量の×103程度) のブラックホールの存在を伺わせる観測結果も報告されており、“中間質量ブラックホール” (intermediate mass black hole; IMBH) と呼ばれている。

ブラックホール3分類
  

1.最も良く研究されている太陽の10倍程度の質量を持つブラックホールは恒星の進化の最終段階であると思われる。太陽のように安定して輝いている恒星は内部の核融合反応で放出されたエネルギーと自身の重力が釣り合うことによって形を維持している。核融合反応が進行すると内部は水素から順次重い原子に変換され最後は鉄の原子核の塊となるが、この段階では自身の重力が勝るようになり、収縮を始める。星の一生におけるこの先は恒星の質量によって異なり、太陽程度の恒星は収縮の後逆に急速に膨張し、恒星の構成成分の大部分を吹き飛ばす超新星爆発を起こし、中性子星となる。恒星の質量が太陽の10倍以上ある場合には恒星の構成成分はさらに中心部に向かって落下し、最終的にブラックホールになる。

2.10億トン程度しか重さのないミニブラックホールはその大きさは10兆分の1センチメートルほどしか無く、現在私たちが観測している宇宙では生まれないと考えられており、宇宙が誕生した頃の密度の揺らぎによって生成していたと予測されている。

3. 超大質量の巨大ブラックホールについてはその形成過程は未だ謎のままだ。しかし、その存在自体は決して珍しいものではなく、現在の研究成果ではほとんどすべての銀河の中心は巨大ブラックホールであることがわかっている。




想像図
観測された諸事象を織り込み、ブラックホールとその伴星GRO J1655-40を描いた想像図。伴星 GRO J1655-40は我々の銀河に存在するマイクロクエーサー。ブラックホールがガスを吸いとっており周囲には降着円盤が形成されている。青色のトーチのように描かれているのはブラックホールから光の90%のスピードで噴出するとされるジェットである。(HUBBLESITE: 2002年)




太陽の数百万~数十億倍の質量をもつ超大質量ブラックホールの想像図。枠内は、超大質量ブラックホールが中心にある渦巻銀河NGC 1365の画像。
最新研究によると、地球から6000万光年の距離にあるブラックホールは、超高速回転によって宇宙のスピードの限界に挑戦しているようだ。











ブラックホール・ニュース  最新情報

ブラックホール最新情報

超大質量ブラックホールの回転速度を測定(3.4.2013)





おとめ座のブラックホール位置を測定 (2011年9月8日 )




銀河中心の巨大ブラックホールとその付近からのジェットのイメージ図。(提供:(拡大図左上段左)Sloan Digital Sky Survey、(左上段右)NASA and the Hubble Heritage、(右)国立天文台)

多くの銀河の中心には超巨大ブラックホールが存在し、その強大な重力によって物質を吸い込む際に発生する莫大なエネルギーが、プラズマのジェットとなってすぐそばから噴出されていることが知られている。

ジェットの噴出口に潜む超巨大ブラックホールの位置を正確に突き止めることは、ブラックホールを「直接」撮像するうえで必要不可欠な情報だ。しかし、ジェットの噴出口の付近では電波が吸収されるため、ブラックホールの居場所を正確につきとめる手段がなかった。

研究チームは今回、位置精度を極限まで高めた「多周波相対VLBI」という革新的な観測手法を駆使し、約5,440万光年かなたにある銀河「おとめ座A(M87)」を観測した。そして、中心から噴き出すジェットの源流に潜む宇宙最大クラスの巨大ブラックホールの居場所を、約20マイクロ秒角(1度角の1億8000万分の1)というかつてない精度で決定することに成功した。おとめ座Aまでの距離を考慮すると、この角度はブラックホール直径のわずか2倍という精度に相当する。

観測から明らかになったブラックホールの位置は、観測されたジェットの根元からブラックホールの直径のわずか7倍、約0.02光年しか離れていないことがわかった。【2011年9月8日 国立天文台】




「衝突直前」のブラックホールを世界初観測 (2010年11月30日)


「衝突直前」のブラックホールを世界初観測
地球から2.8億光年離れた巨大銀河に、あと500年ほどで衝突する2つのブラックホールがあると国立天文台などの研究チームが明らかにした
宇宙が誕生し、銀河へと進化していく「銀河形成史」では、銀河同士の衝突が繰り返されることで、中心部に巨大なブラックホールを持つ巨大銀河ができると考えられている。今回の発見により、2つのブラックホールが衝突して1つの巨大ブラックホールを形成しうることが示され、仮説だった「銀河形成史」を裏付ける証拠が世界で初めて得られたことになる。


巨大楕円銀河の中心にある2つのブラックホールのイメージ。(国立天文台提供)

 この「衝突直前」の2つのブラックホールは、アンドロメダ座にある超巨大楕円銀河「3C66B」の中心部にあり、2003年に同研究チームが発見した。その後3年間にわたり、同研究チームは2つのブラックホールの電波などを詳細に観測。2つがわずか0.02光年しか離れておらず、衝突まで500年程度であることを突き止めた。

 これまでに発見された2つペアのブラックホールのうち、距離が最も短いものが0.3光年だった。また、同ペアが衝突するまでの時間は、70億年と考えられていた。

 国立天文台などの研究チームは今後、現在建設中であるアルマ望遠鏡を用いて、より高精度の観測を続けていく。(2010年11月30日)




最近発見されたブラックホール画像


幼いブラックホール

初期宇宙の、生まれたての銀河にある幼いブラックホールの想像図。
銀河同士の衝突が頻発し、ゆがんだ形で、その中心はガスやダストで覆われ、中では巨大ブラックホールがまばゆく輝きながら成長しつつある。(提供:NASA/CXC/M.Weiss)




天の川銀河の若いブラックホール

天の川銀河の最も若いブラックホール
NASAのチャンドラーX線観測衛星によって撮影されたスーパーノバの遺物である、W94Bのイメージ

このチャンドラーX線観測衛星がもたらしたデータは、極端に歪んだスーパーノバの遺物が天の川銀河で形成された最も新しいブラックホールを含む可能性を示す。この遺物は回転軸に沿って、高速で放出された希少な爆発の生産物として現れる。

W49Bと呼称するこの遺物は約1000才で、地球から2万6000光年の位置にある。

通常、巨大な星がその燃料を失った時、星の中心近辺は崩壊し、連鎖反応で新星爆発の最高潮に達する。ほとんどの爆発は、星間物質が全ての方向に均等に吹き飛ばされる為に対称的である。

ただし、W49Bのスーパーノバの場合は、破滅する回転する星の回転軸の付近にある物質は赤道から発する物質よりもさらに高速で放出された。星の軸から飛び出したジェットが、主に新星爆発とその遺物を形作った。

ほとんどの場合、巨大な星がスーパーノバ(超新星)に崩壊すると、ニュートロン・スター(中性子星)と呼ばれる密集した回転するコアを残す。しかしこのチャンドラーのデータの綿密な調査の結果、この遺物の中にニュートロン・スターの存在する証拠を発見することはできなかった。そうした証拠が見つからないことは、ブラックホールが形成されたことを意味している。











トピックス・宇宙の姿




米航空宇宙局(NASA)が、広域赤外線探査衛星"WISE"のデータをもとに作成した最新の宇宙地図
5億6,000万個を超える恒星や銀河、小惑星を捉えた地図。
地図は、全天を探査する"WISE"が撮影した1万8,000枚以上の画像をモザイク状に組み合わせたもの。地図上の中央部に天の川(明るい色)が見える。






宇宙の姿(95%表示)
既知銀河3 D表示画像、 2MASS 赤方偏移サーベイ (2MRS;2ミクロン全天サーベイ))で 撮影新しい赤外線技術 '赤方偏方向サーベイ' を使用し、3 億 8000 万光年距離にある私達が見る 95 カバーし、43,000銀河を表示し10年間の歳月をかけた精密なマップここに表示されない唯一の銀河は天の川銀河背後にある銀河のみで、上記画像真ん中黒いは、すべて天の川によって画像がブロックされていることを表す
---スミソニアン自然科学館

宇宙塵などの物質に覆われ、可視光線(人間の目で見える波長)では見えない銀河の様子を近赤外線光でとらえる測定が「2MASS」。光のドップラー効果(遠ざかる速さが速ければ速いほど光が赤く見える)に基づいて、銀河の距離を測るのが「赤方偏移サーベイ」の原理。





宇宙大規模構造図、一部天の川の背部を除くすべての見える空

銀河の光は、赤方偏移、または宇宙の膨張により、長波長に延伸され、遠い銀河ほど、その赤方偏移により、赤色が強く出る - 3次元マップを示す。
2 ミクロン全天調査 (2MASS) 全天観測フレッド及び トロロ汎米米州観測所2 つ望遠鏡を使用し 3 つ近赤外波長帯でスキャンして作成。





赤外線による限定区域宇宙:この全天マップは、青が近くを、赤が遠く、緑は中間距離を示す2MASS調査色で銀河を表示。










宇宙の中の地球: 宇宙の地球マップ


宇宙と地球:地球マップ

宇宙における地球の位置
左から、太陽系惑星、太陽系惑星の近辺、 天の川、銀河のグループ、おとめ座と超銀河、超銀河団、宇宙全体から地球の位置をマッピング


        
 観測できる宇宙全体(赤字が乙女座銀河) 宇宙の太陽系惑星(赤字が地球)    太陽系惑星の近辺(赤字が太陽系)    天の川(赤字が太陽系)





太陽系惑星のマップ(赤字で地球を示す)




太陽系惑星の近辺のマップ(赤字で太陽系惑星地球を示す)

1例:ベガ(織姫)太陽系惑星のすぐ近くの右上の星

  
ハッブル・スパイツーで観るベガ                           ベガは七夕の伝説の織姫の星




天の川のマップ(赤字は太陽系惑星近隣を示す)



銀河の中の太陽系惑星と太陽1



銀河の中の太陽系惑星と太陽2




銀河群の一端のマップ


おとめ座と超銀河のマップ(赤字は銀河群の一端を示す)





超銀河団のマップ(赤字はおとめ座銀河群を示す)



観測できる宇宙全体のマップ(赤字は超銀河群を示す)












地球の観測と宇宙の時間の関係

地球で観測する天体の光の歴史

空(宇宙)の星の輝き(光)は、光が地球に到達するには時間を要する為、昔発光した光を見ていることになる。
この原理の説明図;天体が100億年前に光を放し、光が地球に辿りつくのは100億年前の天体を見ていることになる。



宇宙の生誕の時間軸と宇宙の拡張










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画像及び資料元
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