最新宇宙誌 エポック III:宇宙の再電離 ~暗黒時代の終わり&天体時代の始まり(中編)~

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全文

(1)

最 新 宇 宙 誌

10

: 宇 宙

再 電 離

~ 暗 黒 時 代

終 わ

& 天 体 時 代

始 ま

中 編

福 江

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

(2)

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

(3)

そ 領 域 電 離 い 場 合

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

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

(4)

(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

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

以 数 値 (4)式 入

ン 球 半 径 体 的

RS=25pc ne=10 cm3

RS= 1pc ne=1000 cm3

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

(5)

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

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

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

(6)

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.

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Tumlinson, J., Shull, J. M. 2000 ApJ, 528, L65.

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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

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参照

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