最 新 宇 宙 誌
9
ッ
Ⅲ : 宇 宙
再 電 離
~ 暗 黒 時 代
終 わ
& 天 体 時 代
始 ま
前 編
~
福 江
純
大 阪 教 育 大 学
1. 紫 藍 時 代 宇 宙 再 電 離
宇 無 色 透 明 あ い 暗 黒 時 代
宇 全 体 気 残 照 目 見
え い 水 素 や ム 充 満 い
う 宇 91.2nm 短
波 長 イ 放 無 数 光 源 出
現 始 宇 全 体 充 満
紫 輝 始 宇 開 闢 計
時 間 約 2 億 年 10 億 年 赤方 偏 移
約12 6 い 宇 サ イ 約10
億 光 年 20億 光 年 現 在 約10分 1
5分 1 い あ
火 玉 宇 膨 張 温 度
再 結 合 中 性 宇
晴 宇 全 体 あ 存
在 物 質 大 部 分 水 素 一
部 電 い 知 い 大 部 分 中
性 状 態 電 い あ
う い う 状 態 一 度 あ 考 え
い あ 宇 誌
大 変 ン 数 十 年 前
ン 宇 い
う 自 然 一 筋 縄 い い イ ン ュ
タ イ ン 懸 念 老 獪 あ
い う 現 在 銀 河 間 存 在 希 薄
中 性 状 態 完 全 電
い い う 宇 晴
後 時 点 宇
再 び 電 い う 態 生
い 実 際 赤 方 偏 移 4 5 い あ
あ ー サ ー 観 測 宇
晴 以 降 赤 方 偏 移 6以 前
宇 中 中 性 水 素 び 電
わ 赤 方 偏 移 z 1088
い 宇 晴 後 宇 中
水 素 中 性 現 在 宇 澄
渡 い 実 際 現 在 宇
遠 方 霞 い あ
赤 方 偏 移 10 20 い 起
い 水 素 再 電 宇 再 電
re-ionization 呼 い 1 中
図1 宇 宙 再 電 離 説 明 次 ペ ー こ 図 過 去 現 在 並 び プ ラ 状 態 っ 宇 宙 図 端 い っ 晴
青 い 領 域 そ し 宇 宙 出 現 し ネ ル ー 源 黄 色 光 っ 再 び 電離 し 図 真 中 少 し
性 状 態 水 素 陽 子 電 子 電
外 部 ネ ー え 必 要
あ 銀 河 間 存 在 水 素
電 う 大 変 量 ネ
ー 必 要 ネ ー 何
わ い い 点 大 謎 あ
赤 方 偏 移 10 近 領 域 銀 河 や
ー サ ー 観 測 調 い
彼 方 赤 方 偏 移 1000
い 領 域 3K 宇 背 景 放 射 見
え い 赤 方 偏 移 10 い
1000 い 間 領 域 観 測 的 理
論 的 わ 宇 い
宇 暗 黒 時 代 cosmic Dark Ages
言 わ い 宇 暗 黒 時 代 初
代 体 誕 生 考 え い
宇 歴 い 非 常 重 要 時 代
あ
宇 暗 黒 時 代 誕 生 初 代 体 第
一 世 代 あ い ー サ ー あ
い 他 体 確 実 わ
い い 初 代 体 第 一 世 代
場 合 重 元 素 含 い
陽 100倍 1000 倍 い
質 量 10万 度 以 表 面 温 度 あ
強 い 紫 外 線 放 射 い 初 期 宇
再 電 う 推 測 い
2. 宇 宙 再 電 離 観 測 的 証 拠
宇 再 電 対 象 体 銀
河 銀 河 間 い や 銀 河 団 銀 河 団
間 ゆ う 銀 河 間 物 質 IGM
intergalactic medium あ 銀 河
集 超 新
爆 発 汚 染 何 度 調 理 受
宇 初 期 異 い
一 方 銀 河 間 宇 生 元 素
合 成 一 部 銀 河 や
後 一 度 や 銀 河 凝 集
う 推 測 密 度 わ
希 薄 銀 河 団 間 空 間 あ
茫 漠 い 銀 河 間 量
多 い う
銀 河 間 あ 希 薄 光
い 直 接 観 測 わ
い う 状 態 調
方 法 あ 背 後 光 源 透
あ 背 後 光 源 遠 方 銀 河 や
3K宇 背 景 放 射 使 え
遠 方 銀 河 中 銀 河 間
状 態 調 方 法 ン ー タ ー
ン い う 知 い
3K 宇 背 景 放 射 銀 河 間 状 態 調
方 法 3K 宇 背 景 放 射 偏 光 状
態 調 方 法 知 い 前 者 方 法
z~6 い 銀 河 間 電 度 急
増 加 い 判 明 い 後
者 方 法 z~10 い 一 部
電 い 判 明 い 宇
再 電 宇 全 体 一 様 進 わ
宇 起
全 体 透 percolation い う
2.1 ガ ン = ピ ー タ ー ン 効 果
宇 再 電 観 測 的 証 ン
ー タ ー ン 効 果 Gunn-Peterson effect
/ ン ー タ ー ン GP
い う 紹 介 う 紹 介 偉
う 書 い い い
2008年10 耳 学 問 知
い 勉 強 実
初 あ
宇 晴 以 前
電 状 態 水 素 光 子 真 直 進
邪 魔 い 中 性 水 素 光 素 通
う 何 度 述
あ あ 特 波 長
い 書 い 電 水 素
透 明 い 宇 初 期 密
度 高 い 時 期 話 現 在 宇 電 水
素 密 度 非 常 い や や 霞
い 透 明 い う
透 明 う い う 光 学 的 厚
明 思 う 1 大 い
小 い 判 断 必 要 あ 光 学 的
厚 波 長 依 存 性 考 慮 単 純
波 長 依 存 性 考 慮 や や 面 倒
え 地 球 大 気 可 視 光 や 電 波 対
光 学 的 薄 い X線 対 光 学
的 厚 い 詳 細 省 略
以 述 問 題 線
対 光 学 的 厚 見 積 必 要 あ
話 戻 中 性 水 素 い い 波 長
光 素 通 以 前 書 い 量 子 力 学
性 質 び び 特 波 長
光 吸 放 出 い わ ゆ
線 い う や 基 底 状 態
励 起 状 態 間 イ ン 系 列 第 一 励 起
状 態 ー 系 列 第
図2 水 素 原 子 ネ ル ー 準 位
ン 系 列 呼 2
イ ン 系 列 う 基 底 状 態 2 1
第 一 励 起 状 態 2 2 間 イ ン
Ly 基 底 状 態 第 励 起 状 態 2
3 間 イ ン 呼
ー 系 列 吸 放 出 可 視 光 起
古 ー 系 列 線
調 い 対
イ ン 系 列 紫 外 線 領 域 観 測
い 基 底 状 態 水 素 多 多
基 底 状 態 や 起 イ
ン 系 列 一 般 強 重 要 あ
ン ー タ ー ン
多 場 合 イ ン 系 列 イ
ン 光 使 う
GP 考 え 方 ン
非 常 遠 方 光 源 え ー サ
ー イ ン 光 発 う 最
初 強 い 輝 線 あ 銀 河 間 空 間 水 素
い あ 電 い 強 い
輝 線 赤 方 偏 移 地 球
届 う 銀 河 間 空 間 中 性
水 素 存 在 多 寡 応 イ
ン 光 吸 強 い 輝 線 一 部 吸
イ 変 わ う う
3 様 子 赤 方 偏 移 調
い 赤 方 偏 移 い 中
性 水 素 存 在 い 見 積 い う
ン ー タ ー ン GP 提
案 1965年 い う 昔 あ
う 一 重 要 点
3 見 う わ う 吸 イ
ン 輝 線 短 波 長 側 起
3 ー ン タ イ サ ー イ 発
見 SDSS ー サ ー1044-0125 赤 方 偏 移 z 5.80 可 視 域 赤 外
イ ン 線 静 止 系 紫 外 線 領
域 121nm 大 赤 方 偏 移
図3 SDSS ー サ ー1044 0125 赤 方 偏 移
z=5.80 可 視 域 赤 外 ペ ト ル
ラ イ ン α 線 静 止 系 紫外 線 領 域 大 赤 方 偏 移 波 長 7倍 い 延 び 赤 外 線 っ い
出 典 :http://www.ast.cam.ac.uk/~regan/ reion.gif
823nm い 中 縦 線
ー サ ー 発
823nm 波 線 中 心 少 左 広
強 い 輝 線
イ ン 輝 線 左 側
わ 短 波 長 側 抉 い 明
瞭 あ イ ン 吸
absorption trough 呼 い
飼 い 葉 桶 底 使 う
吸 溝 い 意 あ
う 生
ー サ ー 赤 方 偏 移 小 わ 手 前
あ ー サ ー 発
イ ン 光 吸 い 意 味
わ ー サ ー 発 イ
ン 光 ー サ ー 地 球 間 あ
異 赤 方 偏 移 銀 河 間 中 性
吸
ー サ ー 手 前 側 わ 短 波 長 側
起 い
4 う 多 高 赤方 偏 移
ー サ ー 並
吸 移 変 わ わ
わ 遠 方 ー サ ー 4
吸 明 瞭 絶 壁 う
う 少 近 い 4 比較 的
い
図4 SDSS ー サ ー ペ ト ル 得
例 Fan et al. 2006
赤 方 偏 移 5.74 6.42 19個 SDSS ー サ ー 並 べ あ
う イ ン 光 吸 詳
細 測 結 果 赤 方 偏 移 5.5 6
い 急 激 深 わ
イ ン 光 透 率 わ
5
換 算 IGM 中 性 水 素
割 合 z 5.5 1万 分 1
電 い イ ン 光 透
z~6 い 1000 分 1
0.1 跳 中 性 水 素 増 え イ
ン 光 吸 い う う 状 態
い わ 6
図5 ラ イ ン α 光 透 過 率 Songaila 2004 赤 方 偏 移 5 手 前 大 部 分 透 過 し い
水 素 電 離 し い 6 い ほ 透 過 し い い 中 性 水 素 増 え い
図6 GPテ ト 見 積 っ 中 性 水 素 割
合 Fan et al. 2006
性 あ 必 要 い イ ン 光 わ わ
届 イ ン 光 対 光
学 的 厚 1 大 程 度 量 あ
い い
2.2 3K宇 宙 背 景 放 射 偏 光
宇 再 電 観 測 的 証 多 々 あ
う 一 大 証 3K宇 背 景 放 射 偏
光 得 い 挫
昔 電 磁 波 偏 光 鬼 門 他 鬼 門
論 文 う
頭 入 い 詳 紹 介
断 念 い 非 常 大 言 え 以
う 思 う
ン 火 玉 宇 残 照 あ 3K 宇
背 景 放 射 い 述
発 生 時 数 千 度 純 粋 黒 体 放 射
宇 膨 張 温 度
現 在 約 3K イ 波 放 射 宇 全
体 満 い 発 生 時
ン 物 質 ム ム 方 向
わ ゆ 異 方 性 あ 知
い
晴 日 陽 見
う 宇 完 全 透 明 考 え 話
宇 銀 河 間 空 間 完 全
晴 い わ い 宇 開
闢 後 40万 年 い 発 生 3K光
子 後 137億光 年
宇 空 間 旅 あ 春 霞
あ 陽 煙 見 え う 銀 河 間
空 間 存 在 3K
宇 背 景 放 射 影 響 受
想 像 い
え 本 論 関 係 い い や 書
い 深 い 関 係 あ 名
銀 河 団
チ 効 果 Sunyaev-Zeldovich effect あ
3K 宇 背 景 放 射 光 子 銀 河 団 通
抜 銀 河 団 中 高 温 満
い 高 温 影 響 受
具 体 的 高 温 中 電 子
3K 光 子 逆 コ ン ン 散 乱 受 長 波
長 領 域 光 子 ネ ー 短 波 長
領 域 移 結 果 銀 河 団 方 向
3K 宇 背 景 放 射 長 波 長 領
域 イ ー- ー ン 領 域 3K 宇 背 景 放
射 場 合 波 長 1mm 以 い 銀 河
現 象 旧 連 理 論 家
チ 理 論 的 予 測 い
実 際 観 測 裏 付 い 7
図7 銀 河 団RX J1347-1145周 辺 3K 宇 宙 背 景 放 射 電 波 強 度 分 布
白 抜 等 高 線 X線 強 度 分 布 銀 河 団 含 ま 高 温 ガ 分 布 反映 し い 銀河 団 方 向 3K 電 波 強度 弱 ま っ い こ
明 瞭 見 取 画 像 提 供:松 尾 宏 粟 野 諭 美 ほ 宇 宙 ペ ト ル博 物 館
宇 再 電 場 合 う い う 宇
中 性 状 態 地 球 大 気 電 波 対 透
明 う 3K 光 子 影 響 受 い
宇 再 電 自 由 電 子 生
自 由 電 子 3K 光 子 衝 突 影 響 え
銀 河 団
チ 効 果 実 銀 河 団 高 温
中 含 自 由 電 子 影 響 え
あ 銀 河 団 場 合 高 温 温 度
非 常 高 い 自 由 電 子 ネ ー
高 3K光 子 衝 突 叩 3K光 子
ネ ー 変 え い 大 影 響
え ネ ー 交 換 い 衝 突
逆 コ ン ン 散 乱 inverse Compton
scattering 呼 い
一 方 宇 再 電 生 自 由 電 子 ネ
ー 高 い 3K 光
子 衝 突 ネ ー 変 え
い 3K 宇 背 景 放 射
変 わ い
う ネ ー 衝 突 ム ン 散 乱
Thomson scattering 呼
何 起 い わ
ム ン 散 乱 3K 光 子 偏 光 状 態 影
響 あ 具 体 的 い わ
明 窮 わ 水 面 射
光 偏 光 イ 板 回 見
え 方 違 う 青 空 イ ー 散 乱 光 偏 光
う 類 起 う
い い
あ WMAP衛 得 3K
宇 背 景 放 射 詳 細 ー タ い 偏 光
調 結 果 赤 方 偏 移 z~11み3 い
電 い わ
い
や 他 証 現 在 宇
再 電 z~14 い 始 全 体
透 終 わ z~6 い 8 い
考 え い
~ ~
文 献
[1]Fan, X. et al. 2006 AJ, in press (astro-ph/0512082).
[2]Fan, X., Carilli, C. L., Keating, B. 2006
ARA&Ap, 44, 415.
[3]Loeb, A. 2007 astro-ph 0711.3463v1. [4] Songalia, A. 2004 AJ, 127, 2598.