Microsoft PowerPoint - 公開講座 pptx

宇宙のダークエネルギー

とは何か？

郡

和範

（こおり かずのり）

Kazunori Kohri

総合研究大学院大学 素粒子原子核専攻 高エネルギー加速器研究機構 (KEK) 理論センター 宇宙物理グループ

本日、説明すること

• 宇宙の大きさは？ • 宇宙の外は？ • 宇宙の始まりのインフレーション加速膨張 • 現在の宇宙の加速膨張とダークエネルギー • 現在、わかっていないこと

宇宙の大きさは

？？？

太陽までの距離 100000000000m＝1011 m

一方、 0.01 = 10-2

100億km＝10000000000000m＝1013_m

太陽系の外惑星

太陽系の半径は １００億キロ

一番近い、太陽以外の恒星は？

• 恒星とは自分で光る星（⇔惑星） • ケンタウルス座α星

• 距離は4.3光年

我々の銀河（天の川銀河）の想像図

１万光年

＝100000000000000000000m=10

20

_m

COBE 衛星による電波観測の再構成 http://map.gsfc.nasa.gov/ 太陽系 ３万光年

お隣の銀河 アンドロメダ大星雲 （M31）

２００万光年

2dF Redshift survery

遠い銀河の観測（２ｄＦ）

100億光年の長さで宇宙を見る

• 宇宙はどこも同じにみえる。“宇宙原理” • 137億光年先は光で見えない果てがある、“宇 宙の地平線_” • しかし、その先に何もないわけではない！

１００億光年

＝100000000000000000000000000m

＝10

26

_m

宇宙の外は

？？？

宇宙の始まり

は？？？

地球は特別じゃない？

• 古代ギリシャ。プトレマイオスの天動説 • コペルニクスの地動説(1543) • ガリレイ「それでも地球は 回っている」_{(1564 –1642)} • ケプラーの三大法則 Nicolaus Copernicus ケプラー チィコ・ブラーエ

ニュートンの宇宙モデル

(1686)

• 空間とは入れ物 （絶対空間） • 時間とは、空間とは独立に過去から未 来に流れるもの。物体は空間でニュー トン力学に従って時間発展し、運動す る。 • つまり、時間と空間は別物

アインシュタインの宇宙論

(1915)

• 時間と空間は混ざり合う（特殊相対性理論） • エネルギーが時間と空間を決める（一般相対性 理論、量子論と矛盾） • 宇宙はそのままでは重力で潰れるので、宇宙項 Λを入れて、安定にしなくてはならない（後に 取り下げることになるが、現代では復活）

アインシュタイン方程式

• 強い古典重力場を記述する方程式 （雰囲気のみ。模様と思っていただいてもよい です₎ : : , 0,1,2,3 : : R g R g R T           宇宙定数 リッチテンソル ( ) 時空の計量テンソル 　エネルギー運動量テンソル

フリードマンの宇宙：

膨張宇宙

アインシュタイン方程式の解 _{(宇宙定数なし).} もし、宇宙膨張の初期速度が十分速ければ、永遠に 膨張しつづける Alexandre Fiedmann (1888-1925 ) (1922)

フリードマン解

フリードマン方程式

• 一様・等方宇宙におけるアインシュタイン 方程式の一つ。これを解くと宇宙の膨張の 様子が理論的に分かる • 放射や物質（ダークマター）で満たされて いる宇宙の膨張は、放射と物質の重力によ り引っ張られて、宇宙の広がり方がだんだ ん遅くなる

光のドップラー効果

アインシュタインの特殊相対性理論(1905) 高い周波数 (短い波長) “青方偏移” 低い振動数 (長い波長) “赤方偏移” 通常の銀河の色 我々に向かってくる遠い銀河 我々から遠ざかる遠い銀河

赤方偏移を受けた銀河達

遠ざかるスピー ドは高速の ９９％以上 ほとんどが赤 方偏移

赤方偏移

の科学的証拠

スペクトルの吸収線 陽子 e-水素原子 水素イオン H+ 量子化されたとびとびのエネルギー状態 (量子力学) 1)太陽の光のスペクトラム 短波長 _長波長 2) 遠い銀河から来た光のスペクトラム 赤方偏移している！

ハッブルの法則

(1929)

http://map.gsfc.nasa.gov/ 距離 d 遠ざかる銀河の速度 v v H d   c z

膨張宇宙の予言と検証

• 宇宙は大昔、小さく、高温であった （質量 のない素粒子の火の玉宇宙、ビッグバン宇 宙） • 火の玉宇宙の名残りの3°Ｋの等方的な電波を 発見！（１９６７年ペンジャスとウィルソ ン） http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/map/current/ WMAP衛星による3度Ｋ マイクロ波宇宙背景放射 の10-5倍程度の揺らぎの 観測(2006)

1100

z



の頃の宇宙

我々の場所は、もはや宇宙の

中心ではない

宇宙の未来の様子について、

90年代まで決着

がついていなかった

2011年ノーベル物理学賞

「遠方の超新星爆発の観測による宇宙の

加速膨張の発見」に対して贈られました

左より、パールムッター⽒(米カリフォルニア大バークレー校)、 シュミット⽒(オーストラリア国立大)、 リース⽒(米ジョン・ホプキンス大) http://www.kek.jp/ja/NewsRoom/Highlights/20111228170000/

高赤方偏移の

Ia型超新星爆発

の観測

ハッブル宇宙望遠鏡が捕えた超新星1997ffの画像(写真白枠拡大 図内の赤い点)。画像提供:NASA/ESA

遠方

Ia型超新星爆発の暗くなり方

暗

さ

赤方偏移

z

A.G.Riess et al, Astrophys.J. 560 (2001) 49-71.

数百

Mpc-1Gpcの距離 数10億年前

宇宙項定数による加速膨張宇宙

宇宙定数が支配的な宇宙の

フリードマン方程式

• 宇宙定数で満ち満ちている宇宙におけ るアインシュタイン方程式

2





時間の 階微分が正の数 a>0

加速膨張

×



宇宙の大きさの変化

定数 宇宙の大きさ

時間の変化

宇宙の増え方の割合が

宇宙の大きさに比例する

宇宙はダークエ

ネルギーの存在

により、指数関

数的に加速膨張

減速膨張 _加速膨張

現在の膨張率 を観測から固 定すると宇宙

90年代前半でも宇宙定数の示唆

• 球状星団の中の星の年齢は、どう低く 見積もっても_120億歳 • 宇宙定数無しの宇宙の年齢は、どう長 く見積もっても_{100億歳以下。}

実は若い理論家の間では宇宙定数の

導入に抵抗は無かった。

ダークエネルギーとは

• 宇宙が膨張してもエネルギー密度があ まりかわらないような、宇宙定数を包 含する、このような概念のエネルギー をダークエネルギーと呼びます。 （シカゴ大 マイケル・ターナー教授)

• 輻射（放射）

• 物質とダークマター（暗黒物質）

• ダークエネルギー（宇宙を加速膨

張させる源、満ち満ちている）

現在の宇宙の中身

(素粒子の言葉で)

光とニュートリノ (1ccあたり100個） 超対称性粒子（地球近傍で１リットルあたり１個） アインシュタインの宇宙定数（人為的に手で導入）, 未知のスカラー粒子 “

宇宙年齢が上が方向→ エネルギーの密度が上がる方向 → 宇宙の温度が下がる方向→ 137億年 千年 43 10 _秒 32 10 K 10 K3  2.7 K (-270 C)  ダークエネルギー 昔はすごく少なかった 超対称性理論の予言より １０－４５倍小さい 現在、なぜかす べて同じような 量になっている

昔

未来

理論予想は1045倍

http://map.gsfc.nasa.gov/ 指数関数的 加速膨張宇宙 (2nd _Inflation?) 収縮宇宙 減速膨張宇宙 宇宙年齢（単位は１０億年） 宇宙の大きさ 観測値は現在 の傾き（膨張 率）

宇宙の無からの創生

A. Vilenkin (1982) ホーキング・ペンローズの特異点定理 (1965) 一般相対性理論は特異点を必ず持つ ホーキングの無境界仮説 (1983) 宇宙はツルっとした境界から始まった Steven Hawking

インフレーション宇宙論 佐藤勝彦 (1981) グース(1981) 宇宙初期に指数関 数的膨張により、 光速より速いス ピードで、非常に 大きくまっ平らな 宇宙なった。

初期宇宙にも加速膨脹期が必要

マルチバース

• 量子ゆらぎにより、 インフレーション を起こす条件が 整った場所が、 各々インフレー ションし、宇宙を 創る • たくさん宇宙が生 まれる

宇宙の始まりの前には時間もない

• 宇宙は、時間と空間を作りながら広 がっている • 宇宙誕生の前には、定義により時間は ないと考えられている（例外のモデル もある）。 • 虚数時間こそが、流れていたかも しれない _{(スティーブン・ホーキング)}

宇宙の歴史

宇宙年齢：１３７億年 光で見えるのは生まれて３８万年後から 最初の星の誕生は、生まれて４億年後 http://map.gsfc.nasa.gov‘ 素粒子のスープから元素が誕生するのは生まれて3分後 インフレーション が始まったのは 生まれて 10-36_秒後 (0.01=10-2₎

2度の加速膨張期を経験

• 1度目は、宇宙初期のインフレーション による加速膨張期 • 2度目は、現在のダークエネルギーによ る加速膨張期（第２のインフレーショ ン期と呼んでもよい）

分かっていない

事は？？？

本当の所は量子重

力理論が完成しな

いと解からないか

もしれない

スーパーストリング理論（超対称性理論の下での弦理 論）がその候補と思われているが、未完成

高次元宇宙

スーパーストリング理論（Ｍ理論）では時空は11次元。 しかし、我々の宇宙は四次元 ウィッテン 近くで見ると二次元平面？だと 思っていても 遠くから見ると一次元か_{もしれません} 四次元以上の高次元空間（余剰次元と呼ばれる）が、このように 小さなスケールでコンパクト化されて存在していると解釈する

膜宇宙論（ブレインワールド）

リサ・ランダル ラマン・サンドラム Randall and Sundram (1999)

我々の宇宙は高次元時空に 浮かぶ四次元の膜である

サイクリック宇宙 (Ekpyrotic Universe)

http://www.physics.princeton.edu/~steinh/branes.swf Steinhardt and Turok (2002)

サイクリック宇宙

残された問題

• 量子重力理論は完成するか？ • ダークマターとは何か? • ダークエネルギーとは何か? • バリオン物資（原子）はどうやって無から作るか？ • 現在の宇宙は、なぜ全ての成分が同じ程度のエネル ギー密度なのか_? 超対称性理論(SUSY)粒子、アキシオン、原始ブラックホール 宇宙定数？ゆっくり転がるスカラー場？ 偶然？科学的に必然に起こる?人間原理? バリオン数生成理論モデル多数。しかし、検証なし。 スーパーストリング理論？

人間原理

(

Anthropic Principle

）

• 人間原理

宇宙の法則がこうなっているからこそ、この 問いを発する人間が（必然として）生まれ て来たという原理

我思う、故に我あり(cogito ergo sum) デカルト

問） “なぜ宇宙の法則（物理法則）は 偶然人間に都合よく出来ているのか?” デカルト （1596- 1650） 逆に言うと、変な物理法則の宇宙には、このよう な問いを発する人間は生まれないので、そもそも、 このような問いは発せられない

例１）なぜ地球にたくさんの

酸素があるのか？

• 人間原理により、「酸素がない星には 人間が生まれないから、そのような星 のことは誰も語らないからだ」と説明 することもできる • それで考えを終わっていては惑星に酸 素の気体が存在する理由を科学的に解 明する動機は永遠に失われる。つまり 科学的な疑問に最初から人間原理によ る説明を持ち込むべきではない

我々はダークエネルギー（宇宙定数）が小さい宇宙に住 んでいる。理論予想より10-45 _{倍も小さい。もし、その値} が観測より103_{倍程度でも大きければ、宇宙はもっと速く} 膨張してしまい、地球や太陽は生まれない 天動説を捨て、宇宙原理を信じた現代の人類が、また、 我々の宇宙は特別な存在だと受け入れなければならな くなってきたのは皮肉だ。 それを神が作りたもうたと言うのは易しい。また、人間 原理による解決をはかると、人間の存在がこの宇宙の 性質を決めているという驚くべき解釈になる。しかし、そ うした説明方法は、一番最後にとっておくべきだろう。(将 来的には、そう認めないといけないかもしれない、宇宙 誕生の根本的な大問題に直面しているかもしれない)

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