最 新 宇 宙 誌
10
エ
ッ
： 宇 宙
再 電 離
～ 暗 黒 時 代
終 わ
＆ 天 体 時 代
始 ま
中 編
～
福 江
純
大 阪 教 育 大 学
2 承 前
前 編 文 教 育 2008 11 号
宇 再 電 離 観 測 的 証 ン ＝
ン 挙 集 い 資
料 中 そ イ 紹 介
A サ 右 端
発 イ ン α 手 前 中 性 水 素
黒 い 領 域 吸 収
中 央 付 近 電 離 領 域 左 側 増
え い 吸 収 い 中 性 領 域
電 離 視 線 そ 部
分 吸 収 い イ
残 中 央 付 近
図 A イ ン α 光 ス ペ ト 宇 宙 状 態 進 化
う 一 わ や い 絵 B
B 横 軸 赤 方 偏 移 対 数 縦 軸 中 性
水 素 量 対 数 赤 方 偏 移 1000 い
中 性 赤 方 偏 移 10 前 後 電 離
い 中 WMAP 3K 偏
押 え い 点 SloanDSS ン
＝ ン 押 え い 点
21cm 中 性 水 素 出 21cm
電 検 出 調 う い 部 分 思
う わ 水 素 中 性 状 態 時
期 放 射 21cm 中 性 水 素 輝 線 検 出
赤 方 偏 移 測 原 理 的 そ 時
期 中 性 水 素 分 布 わ
証 出 い 話 い 紹 介
中 性 水 素 量 イ 電 離 度
検 出 方 法
図B 宇 宙 電 離 図
余 談 大 学
Abraham Loeb 言 い 回 わ や
い 宇 進 化 人 間 一 生 比
自 分 人 生 胎 児 超
音 撮 影 画 像 後 紹 介 3K
得 ン 振 動 指 い
十 代 写 真 10億 以 降 や大 人
写 真 変 化
大 子 時 代 40万 10億
い 空 白 い う わ 胎 児
そ 大 大 人 わ
い 大 人 い 胎 児
い 宇 空 白 時 代 埋
3. ス ト ー ン 球
宇 再 電 離 い う 証 挙
再 電 離 過 程 そ 進 う わ
わ 考 え い 宇 銀 河 間
再 電 離 銀 河 間 ほ 水 素
以 水 素 中 心 考 え
い う 再 電 離 物 理
過 程 複 雑 基 本 同
基 底 状 態 水 素 電 離
電 離 ionization
energy 13.6eV 子 長
換 算
13.6eV＝91.2nm
長 紫 外 線 子 相 当
水 素 13.6eV 以
電 離 わ 形
態 電 磁 的 放 射 力 学 的
衝 突 何 い い え 紫 外 線
放 射 紫 外 線 電 離 8
電 離 photo ionization 呼
一 方 超 新 星 爆 発 強 い 衝 撃
発 生 粒 子 同 士 衝 突 衝 撃
通 過 後 電 離 う
衝 突 電 離 collisional ionization
図8 バ 星 雲 NASA
一 般 輝 線 星 雲 分 類 さ 水 素 電 離し い い う 意 味 電 離 水 素 領 域 ／H 領
域 H region も 呼 ぶ
呼 宇 再 電 離 い
最 初 段 階 衝 撃 発 生
う 超 新 星 爆 発 起 星 自 体 い う
そ 重 要 電 離 方 う
3.1 ス ト ー ン 球 大 さ
星 間 い 銀 河 間
中 電 離 源 え 強 い 紫 外 線 放 射
高 温 度 星 や 最 初 星 や サ 存 在
い 周 辺 無 限 方
電 離 い う 何
想 像 う 言 い 方
電 離 源 毎 秒 放 射 紫 外 線
子 数 限 そ 紫 外 線 子 周
電 離 い わ 紫 外 線 子
尽 電 離 領 域 終 わ わ
強 い 高 温 度 星 周 辺 水 素 高 温 度 星
電 離 可 能 領 域 最 初 調 ン
体 物 理 学 者 ン ン
Bengt Georg Daniel Stromgren；1908～ 1987； 9
ン 球 Stromgren shpere 呼 ぶ
実 際 輝 線 星 雲 電 離 水 素 領 域 HII 領 域
体 写 真 見 電 離 領 域
境 界 い 8 そ
領 域 雲 存 在 い 場 合
一 方 自 体 広 範 い
図9 ス ト ー ン
そ 領 域 電 離 い 場 合
う
言 い 方
ン 球 電 離 水 素 領 域 大 電 離
源 毎 秒 放 射 紫 外 線 子 正 確
91.2nm 長 短 い 子 数 わ
電 離 源 紫 外 線 度 周 辺 量
わ 星 間 密 度 依 存 決
う
体 的 ン 球 大
見 積 う 十 分 広 い 範
一 様 密 度 一 個 数 密 度 n
中 性 水 素 中 電 離 源
わ 十 分 紫 外 線 放 出 早 期 型 高 温 度
星 一 10 電離 源 周
辺 水 素 電 離 い 領 域 対 称 性
球 半 径 RS 電 離 領 域
電 離 水 素 個 数 密 度 np 電 子 密 度 ne 完 全 電 離 np＝ne＝n
コ 中 心 星
放 射 紫 外 線 子 周 辺 水 素
陽 子 電 子 電 離 一 方 電 離
陽 子 電 子 再 結 合 中 性 水 素 戻
必 基 底 状 態 再 結 合 い
水 素 基 底 状 態 再 結 合 時 出
イ ン 連 続 他 水 素 電 離
電 離 燎 原 火 広 い
う 多 場 合 励 起 状
態 再 結 合 そ 後 的
図 10 一 様 拡 っ た 中 性 水 素 ガ ス 中 電 離 源 を 取 巻 く 電 離 水 素 領 域
輝 線 や イ ン 輝 線 出
準 そ 基 底 状 態 落 い そ
輝 線 足 い
他 水 素 電 離 電 離 領 域
抜 い そ 電 離 源 離
紫 外 線 子 消 耗 尽
う わ
以 記 号 的 書 (1)式 う
電 離 領 域 大 中 心 星 毎 秒 供
給 電 離 子 個 数 NUV 個 s 電
離 領 域 内 毎 秒 再 結 合 原 子 個 数 Nrec
個 s 釣 合 い 決
何 わ い 中 身
示 そ う
単 時 間 電 離 子 個 数
(2)式 う 振 動 数 ν い 中 心
星 振 動 数 毎 度 L
ν そ 振 動 数
hν 割 そ 振 動 数
子 個 数 振 動 数 全 域 正 確
電 離 以 積 分
紫 外 線 強 い 早 期 型 高 温 度 星 場 合
紫 外 線 度LUV 紫 外 線
子 hνUV 割 い
体 的 数 値 後 計 算
(3)式 う 電 子 数 密 度 陽 子 数 密 度
積 単 体 積 電 子 陽 子 出
会 う 頻 度 再 結 合 率 α 掛
単 体 積 中 電 子 陽 子 再 結 合
割 合 電 離 領 域 体 積 掛 得
再 結 合 率 α い 後 述 完 全
電 離 い 電 子 密 度 陽 子 密 度 等 い
(3)式 後 半 う
中 身 (3)式 中 身 釣 合
い 式 (1)式 入 整 理
ン 球 半 径 記 号 (4)式 得
い (5)式 う 表 多
い う 後 述
体 的 数 値 見 積 入 う
単 時 間 電 離 子 数
中 心 星 O6 O7 簡 単
表 面 温 度T＝40000K
半 径R＝10 陽 半 径
紫 外 域 度
LUV＝4πR2σT4＝9ェ1038 erg/s
電 離
13.6eV＝2.2ェ10 11 erg
割 電 離 子 数
NUV＝4ェ1049個 s
得 多 い い え 多 い 無 限 ほ
多 い
一 方 再 結 合 原 子 数 中 身 方 電 子
数 密 度 周 星 間 状 況 依 存
型 的
ne＝10～1000 cm3
程 度 う 星 間 空 間 1 い 銀河 間
い
数 値 抑 え い 再 結 合 率 α 方
電 子 陽 子 衝 突 際 い 再
結 合 い う 割 合 電 子 温 度Te
依 存 そ 依 存 性 や 係 数 文 献
異 イ ン ュ イ ン 係
数 出 直 ン イ 無
理 い ； 笑
α ＝2ェ10 11 Te1/2 cm3/s
う 電 子 温 度
Te＝10000K
い
以 数 値 (4)式 入
ン 球 半 径 体 的
RS＝25pc ne＝10 cm3
RS＝ 1pc ne＝1000 cm3
得
体 的 数 値 一 計
算 面 倒 文 業 界 一 般 的
数 や 係 数 数 値 入 変 数 代 表 的
値 基 準 (4)式 一 般 形 (6)式
う 表 現 多 い
最 後 ン 球 半 径 陽
書 い (4)式 電 子 数 密 度 合 わ (5)式
違 い 後 者 観 測 的 観 点 書
い え わ (5)式 左 側 等 号
両 辺 左 辺 未 知 量 右 辺 中 心 星
種 類 い い 決 量 そ
右 辺 励 起 excitation
parameter U(sp) 義 中 心 星 イ
対 計 算 楽 え
O6型 星
度 階 級 励 起 U(pc/cm3)
V 主 系 列 星 66
III 巨 星 87
I 超 巨 星 108
詳 参 考 文 献 参 照
3.2 ス ト ー ン 球 内 電 離 分 布
い 内 部 電 離 度 分 布
中 心 星 近 水 素 ほ
完 全 電 離 い う
ン 球 外 側 中 性 状 態 そ 間 電
離 度 ゆ や 減 否 い う 問
題 電 離 式 計 算 面 倒 省 略
体 的 計 算 結 果 一 例 11 示
11 わ う 電 離度
減 い
ン 球 境 界 近 急 激 減 い
わ ン 球 内 部 水 素
ほ 完 全 電 離 幅 犊 い 遷 移 層
挟 球 外 中 性 水 素 領 域
い
物 理 的 学 的 厚 い う 観 点
電 離 子 対 型 的 星 間 学
的 厚 十 分 大 い い え 実 際
型 的 星 間 密 度 1個 cm3
図 11 ス ト ー ン 球 内 電 離 分 布 小 暮 智 一 星 間 物 理 学
横 軸 水 素 ス ト ー ン 球 半 径 を 単 位 し 中 心 星 距 離 縦 軸 水 素 電 離 実 線 ヘ ウ 電 離 波 線
O6 星 40000K B0 星 30000K
星 間 ガ ス 密 100/cm
3
紫 外 線 子 均 自 由 行 程 0.1pc 程
度 い そ 完 全 電 離 中 性 状
態 移 行 遷 移 層 1pc以 い
う
紫 外 線 目 中 心 星 周 辺
え 60pc い 澄 渡 い そ
外 部 急 激 不 透 明 雲 い
う え い う
輝 線 可 視 対 全 域 半 透 明
輝 線 星 雲 透 見 え い
現 在 星 間 空 間
ン 球 い 影 響
重 要 い 初 期 宇 い
そ 省 略
4. 宇 宙 再 電 離 物 理
現 在 宇 再 電 離 観 測 的
事 実 理 論 ュ ョ ン
以 う 起 う
推 測 い 12
宇 誕 生 後2 億 い 宇 全 体
中 性 水 素 ン 残 照
子 数 十K い 満
い そ 中 性 水 素 密 度 高
い 領 域 最 初 星 や サ 誕 生
電 離 源 星 原 始 サ 原 始 銀 河
宇 そ 形 成 そ
放 射 紫 外 線 電 離 源 周
辺 電 離 数 億 間 宇
宇 的 ン 球
cosmic Stromgren sphere 点 在 的 形
成 い う 12 そ 間
星 や サ 引 続 形 成
新 電 離 作 い う
電 離 源 増 え 宇 的
ン 球 同 士 次 第 重 合 う
う 12中 状 態 コ
2009 1 Vol.21 No.1
図12 宇 宙 再 電 離 し い く 様 子
出 典：http://www.mpifr-bonn.mpg.de/div/
lofar/images/reionization.jpg
こ 図 正 確 中性 水 素 ガ ス 放 射 す 21cm 電 波 強 う 変 遷 す を 理
論 的 シ ュ ー シ ョ ン 示 した も あ 時 間 も 空 間 膨張 し い 図 空 間 膨 張 率 割 っ た ス ー 共 動 標 表 示 し あ
コ ョ ン 以 前 一 電
離 犉 立 コ ョ ン 起
一 挙 電 離 領 域
5億 前 後 う
や 宇 全 体 覆 わ 尽 残
中 性 水 素 銀 河 集 宇 全 体 再
電 離 終 了 12
文 献
Bromm, V. 2005 ARA&Ap, 42, 79.
Bromm, V. 2006 Sky & Tel, 5, 30.
Bromm, V., Larson, R. B. 2004 ARA&Ap, 42, 79.
Fan, X., et al. 2006 AJ, in press (astro-ph/0512082)
Fan, X., Carilli, C. L., Keating, B. 2006 ARA&Ap, 44, 415.
Heger, A., Woosley, S. E. 2002 ApJ, 567, 532. Larson, R. B., Bromm, V. 2001 Sci Ame, 12, 64.
Loeb, A. 2007 astro-ph 0711.3463v1.
Nakamura, F., Umemura, M. 2001 ApJ, 548,
19.
Omukai, K., Palla, F. 2003 ApJ, 589, 677.
Songalia, A. 2004 AJ, 127, 2598.
Tumlinson, J., Shull, J. M. 2000 ApJ, 528, L65.
Yoshida, N., Abel, T., Hernquist, L., Sugiyama,
N. 2003 ApJ, 592, 645.
Yoshida, N., Omukai, K., Hernquist, L., Abel, T.
2006 ApJ, 652, 6
イ ン ュ Jr 1980 星 間 物 理 学 共 立 出 版
暮 智 一 1994 星 間 物 理 学 う 書房
