宇宙物理学最前線
21世紀に残された
宇宙物理学の4つの謎
-高エネルギー物理と宇宙の接点-
小玉英雄
理論宇宙物理グループ
素粒子原子核研究所,KEK
KEK・総研大夏期実習 2008年6月4日宇宙ジェットの謎
1010 1012 1014 1016 1018 1020 E ( eV /nucleus)
New component with hard spectrum? Ankle ダークエネルギー 暗黒 物質 通常物質 宇宙膨張の謎 宇宙線の謎 イン フ レ ー シ ョ ン 熱いビッグバン宇宙 現在 の 宇 宙 の 加速膨張 暗黒時代 de Sitter S4 宇宙創成の謎
加速器実験
(100GeV⇒ LHC 7TeV) Fermilab (2TeV) 高エネルギー素粒子の衝突反応 新素粒子の発見,相互作用の研究 自然法則の解明 KEK 50 GeV CERNどこまで加速出来るか?
加速器
KEK ps: 50GeV
⇔ 4× 10-16cm ' r
N / 500
CERN LEP: 100GeV (Cf. mZ' 91GeV)
FNAL Tevatron: 2TeV=2000GeV (Cf. mt' 170GeV) LHC: 7TeV
障害
軌道半径
シンクロトロン放射
Cf. 臨界電場
1GeV=109 eV 1TeV=103 GeV= 1012 eV
B F x 負エネルギー 電子の海 E 対生成 現在の加速器技術では、10TeV程度が限度!!
高エネルギー宇宙線
From http://pdg.lbl.gov/
• Emax > 1011 GeV
• Knee: E∼ 106 GeV
• Ankle E ∼ 1010 GeV
•Galaxy limit = 109 GeV
RL = pc/eB = 1 kpc Grigorov JACEE MGU TienShan Tibet07 Akeno CASA/MIA Hegra Flys Eye Agasa HiRes1 HiRes2 Auger SD Auger hybrid Kascade E [eV] E 2.7 F (E ) [GeV 1.7 m − 2 s − 1 sr − 1 ] Ankle Knee 2nd Knee 104 105 103 1014 1015 1013 1016 1017 1018 1019 1020 宇宙からは,1011 GeVを超 えるエネルギーの粒子が地 球に降り注いでいる.
GZK効果
From http://pdg.lbl.gov/ Lorentz不変性の破れ? 1018 1019 1020 1021 1024 1023 1025 1026 Energy (eV) HiRes 1,2, monocular Auger 2007 E 3 dN/dE [m − 2 sr − 1 s − 1 eV − 2 ] AGASA GZK limit = 5×10 10 GeV p + γCMB → N + π GZK限界を超える宇宙線 陽子は100Mpc以上の距 離を飛べない. GZK=Greisen-Zatsepin- Kuzmin(1966)エネルギー勘定
宇宙線の全エネルギー
ρ
CR≈ 1 eV/cm
3⇒ L
CR≈ 10
41erg/s per galaxy
Cf. 3×
E
K,SN/ 100 yr ≈
10
42erg/s
宇宙線の加速
衝撃波による1次のFermi加速では
E
max∼
Z×
5·10
6GeV
(超新星残骸)
これにより,宇宙線の銀河成分およびスペクトルでの折れ曲がり
(Knee)が説明出来る.
しかし,
銀河系外に起源をもつ超高エネルギーがどこでどのように加
速されるのかは大きな謎である。
宇宙はジェット流で満ちている!
Crab Nebula (HST + Chandra) [HubbleSite]
中性子星,ブラックホール
1kpc scale jet from M87 [HubbleSite]
超相対論的ジェットはクエーサー,マイクロク
エーサー,γ線バースターのエンジン
ブラックホールからのジェットのLorentz因子Γ
は,クエーサーで30,GRBで100-300
にもなると推定される. 0 10 20 30 40 0 5 10 15 2049 jet sources from 2cm multiepoch VLBA observations [Kellermann et al, ApJ609:539(2004) ]
ジェットは,活動的銀河中心
核,QSO,マイクロクエー
サー,ガンマ線天体のみなら
ず超新星爆発でも中心的な役
割を果たしていると考えられる
ようになってきた.
Mirabel IF, PTP Sup. 155, 71 (2004)
超相対論的ジェットの加速機構は大きな謎
MHD モデルは最も有力視されているが、十分大きな Γをもつ定常なジェットを実現することには成功して いない。 超新星爆発を引き起こすジェットを生み出すのでさえ、 異常な強さの磁場(> 1011 T)が必要となる。 数値シミュレーションは、ブラックホールエルゴ領域での磁気Penrose過程(Punsky B, Coroniti F 1990)の
ような一般相対論的効果が決定的な役割を果たして いることを示唆している [Nagataki S et al: ApJ, to be pub (2007)]
宇宙ジェットは、超高エネルギー宇宙線の加速場所と
して最も有力な候補となっている。
Kato et al: ApJ 605, 307 (2004)
宇宙ジェットの研究は、超高エネルギー物理やブラックホールの構造を含め て、極限状況での物理について貴重な情報をもたらすと期待される。
Gravitational Waves
Ground-base Laser Interferometers: Stellar systems
TAMA, LIGO, GEO, Virgo ⇒ LGCT, Adv-LIGO, LIGOII
Space Laser Interferometers: ⇒ BBO: LISA, DECIGO
Radio
Ground-base VLBI/VLBA: CJF, RRFID, 2cm Survey/MOJAVE
Space VLBI : HALCA(VSOP) ⇒ VSOP-2/ASTRO-G(磁場の測定可), RADIO Astron
Optical/IR
Ground-base telescope: Subaru(8m) ⇒ JELT(30m), TLT, Euro50, …
X-rays
Hakucho, Tenma, Ginga, Aska, Suzaku, Chandra ⇒ ?
Gamma-rays
Ground-base: CANGAROO, HESS, MAGIC ⇒ CTA Space: EGRET⇒ GLAST
Cosmic Rays
Neutrinos
(Super-)KAMIOKANDE, Cascade Grande, AMANDA ⇒ CAROT, ICECube
UHE CRs
AGASA, HiRes ⇒ Pierre Auger.
Observatories of Extreme Physics
HALCA observations of NGC1052 and NGC4261
Friedmann宇宙モデル
Hubbleの法則(1929) 銀河の後退速度 ∝ 距離 v= H0 r 宇宙の膨張と一様等方性 Robertson-Walker宇宙モデル • 空間は一様等方で,一様な曲率 K をもつ • 空間のサイズ a(t)が時間 t 共に増大 K=0 K>0 K<0 重力は引力 ⇒ 宇宙膨張は減速型 ⇒ 有限な宇宙年齢 ⇒ Big-bangモデル K<0 K=0 K>0 a t宇宙パラメーター
宇宙膨張の方程式
エネルギー方程式
物質組成
密度パラメーター
ハッブル定数
wパラメーター
Hubble定数 by HST
Hubbleの法則
cz = H
0d (v/c
¿ 1)
Doppler 効果
z= Δ λ/λ
'
v/c
宇宙膨張
H
0の観測値
H
0= 71 +/- 7 km/s/Mpc
1Mpc= 106 pc 1pc=3.26 光年 = 3× 1018cm光度距離ー赤方偏移関係
赤方偏移 z と宇宙サイズ a の関係
距離と面積の関係
d
L– z関係
R r θ DFlat ΛCDM models 0 1 z 1 dL 0.1 0.25 0.4 ΩM = H0 c 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 1.2 0.4 1.4 0.6 0.8 0 1 z 1 dL - 0.15 0 +0.15 ΩΜ = 0.25 H0 c 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 1.2 0.4 1.4 0.6 0.8 ΩΚ = 0 1 z 1 dL (0.12,0.68) (0.25,0.75) (0.38,0.83) (ΩM , ΩΛ )= H0 c 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 1.2 0.4 1.4 0.6 0.8
Curved CDM models Degeneracy
Hubble Diagramの拡張
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 a H0 tSNIa
で宇宙を計測する
Ia型超新星までの距離 光度曲線が、ピーク時の色指数と光度減 衰時間により良い精度で分類されることを 用いて,絶対光度を推定. 適用距離: >60Mpc これまでの観測(High z) Supernova Search Team
1998 Riess AG et al
16 SNe Ia (z=0.16-0.62) + 34 nearbys
2004 Riess AG et al
16 SNe Ia (z>1.25 by HST) + 170 SNe
Supernova Cosmology Project
1997 Perlmutter S et al 7 SNe Ia (z=0.35-0.46) 1998 Perlmutter S et al 42 SNe Ia (z=0.18-0.83) 2003 Knop RA et al 11 SNe Ia (z=0.36-0.86, HST)
Supernova Legacy Survey 1st yr
2005 Astier P
Supernova Legacy Survey
SNLS collaboration: A&A 447:31 ( 2006) M Ω 0 0.5 1 Λ Ω 0 0.5 1 1.5 2 SNLS 1st Year BAO Closed Flat Open Accelerating Decelerating No Big BangJeans Length
半径Lのガス雲(領域)において,
ガスの圧力勾配 δP/L ∼ cs2 δρ/L 単位体積当たりの重力 Gρ δM/L2 ∼ Gδρ ρ L 両者が等しい長さ ⇒ Jeans長 LJ ∼ cs /(Gρ)1/2 = c s tff L < LJ のガス雲は膨張し密度勾配が減少 L > LJ のガス雲は重力収縮し,さらに密度 が上昇. 一様なガス雲のゆらぎに対して,
波長 λ < LJ のとき,音波として伝播 波長 λ > LJ のとき,重力収縮によりゆらぎ は成長 圧力 重力 LSounds of CMB
膨張宇宙におけるJeans長
H
2= 8π
G
ρ
/3 ⇒ L
J≈
c
s/H
Cf. ホライズン長
L
H≈
c/H
L
Jは宇宙の晴れ上がり直前で
最大となる.
晴れ上がり前: LJ ≈ LH 晴れ上がり後: LJ < 10-5 LH 時間 t 長さ 宇宙の 晴 上り 現在 熱い膨張宇宙 cs /H c /H CMBDoppler Peak
CMBの音波(振動部分)
の波長には最大値 L
m≈
L
J(t
rec)が存在する.
CMB温度の天球上でのゆら
ぎは,(近似的に)離散値
角度 ∝
波長 ≈
L
m/ n
に対応する角度で強い相関
をもつ.
L
mは,宇宙の(晴れ上がり
前後での)物質組成と物理
だけで決まる.
Cosmometry
by CMB
Dopplerピークの位置は空間曲率を決 める. Dopplerピーク波長はほぼ物理で決ま り,宇宙物質組成に敏感でない. 晴れ上がり時でのDopplerピークの波 長 Lpとそれを見込む角度θpの対応は, 主に空間曲率に依存: WMAP観測 1st Doppler peak l ≈ 200 ⇔ K≈ 0 観測値: |ΩK| < 0.1 Ωm Ω Λ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 SNIa CMB Cluster fgas宇宙の
Dark Pie
ダークエネルギー 暗黒 物質 通常物質 Ωm Ω Λ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 SNIa CMB Cluster fgas M Ω 0 0.5 1 Λ Ω 0 0.5 1 1.5 2 SNLS 1st Year BAO Closed Flat Open Accelerating Decelerating No Big BangWMAP Collaboration: ApJ Suppl. 170:377 (2007)
SDSS Collaboration: ApJ 633: 560 (2005)
WMAP 5yr data: arXiv:0863.0547
何を意味するのか?
重力が引力
⇔
宇宙膨張が減速
宇宙膨張が加速
⇒
重力が斥力
重力が斥力
⇔
圧力
P <
-
ρ/3
宇宙は現在,加速
膨張している!!
Reacceleration of the Universe
宇宙の
膨
張速度
イン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン
熱いビッグバン宇宙
宇宙時間
現在の
宇
宙の
加速膨張
暗黒時代
1998 Discovery by SNIa (SNCP, HzST) 2003 WMAP 1st year 2005 BAO (SDSS) 2006 WMAP 3rd year2007 Chandra X observation (fgas method)
ダークエネルギー問題
一般相対性理論が宇宙のスケールで正しいとすると,
量子エネルギーを含めて,真空のエネルギーが
正である
(
加速問題
),
素粒子物理の特徴的なエネルギースケールと比べて異常に小
さい
(
階層性問題
),
Cf. 真空の構造が変化する特徴的なエネルギースケール
E
Planck=10
28eV, E
GUT
=10
25eV, E
EW=10
11eV, E
QCD=10
8eV
特別の場を導入
Quintessence, K-essence, phantom field, dilatonic ghost
condensate, tachyon field(
⊃ Chaplygin gas),
量子重力
Spacetime foams, EPI, baby universe
重力理論の変更
ミクロでの変更: 弦理論・M理論
長距離での変更: Lorentz不変性の自発的破れ, f(R,
φ,∇φ) モ
デル, TeVeS理論, DGPモデル
人間原理
様々な理論的試み
Ref: Copeland, Sami, Tsujikawa: IJMPD15, 1753(2006)
ダークエネルギー問題は、21世紀に残され
た最大の難問。その解決には,真空のエネル
ギーを完全にコントロール出来る基礎理論(
重力を含む統一理論)の構築が不可欠!
平坦性問題
(古典的な)宇宙の始まり
Einstein方程式
Planck時での空間曲率
平坦性問題は,宇宙初期にエネルギー密度 ρm が曲率 K/a2より緩やかに減少する(i.e. 宇宙の加速膨張)時期が十分長く続けば解消される. Planck定数 h, 光速 c, 重力定数 G Planck時間 tpl ≈ 10 -43s Planck長 Lpl ≈ 10-33cm Planckエネルギー Epl≈ 1019GeV ≈ 1032 K Planck時の曲率半径 > 1030 L plホライズン問題
Friedmannモデルを仮定すると
ホライズン問題も,
宇宙初期に宇宙膨張が加速する時期
が十分長く
続くと解消される.
初期面 宇宙晴上り 現在 時間 我々がCMBで観測する領域のサイズ は,宇宙晴上りの時点で,ホライズン サイズの50倍程度 観測領域で,CMB温 度ゆらぎは 10-5 程度 宇宙の一様等方性は,宇宙誕生時の 初期条件.量子論と整合しない.宇宙膨張の起源
宇宙の 膨 張速度 イン フ レ ー シ ョ ン 熱いビッグバン宇宙 現在の 宇 宙の 加速膨張 暗黒時代 宇宙時間なぜ宇宙は膨張を
始めたのか?
宇宙構造の起源
Friedmannモデルを仮定すると、
宇宙誕生時のゆらぎのスペクトルは
観測は
「曲率ゆらぎがすべてのスケールで一定」(Harrison-Zeldovichスペクトル)を支持。
L宇宙のインフレーション
宇宙の 膨 張速度 イン フ レ ー シ ョ ン 熱いビッグバン宇宙 宇宙時間 宇宙初期での 加速膨張 • ビッグバンの起源 • 平坦性問題 • ホライズン問題 • モノポール問題 • 宇宙構造の起源 解 決インフレーションは起こせるか?
インフラトン
=重力が斥力となる物質
宇宙加熱(graceful exit)問題
量子ゆらぎから銀河へ
インフレーション時. インフラトンの量子ゆらぎはスケール不 変な宇宙ゆらぎを生成する. 同様に,インフレーションによりスケー ル不変な重力波背景放射が生成され る. インフレーション後 インフラトンのゆらぎは再加熱により通 常の物質密度のゆらぎに変化し,CMB のスカラ型ゆらぎを生み出す. 重力波背景放射は宇宙晴れ上がり後, CMBにテンソル型ゆらぎを誘起する. 時間 t 長さ 宇宙の 晴 上り 宇宙の 加 熱 現在 熱い膨張宇宙 量子ゆらぎCMBによるインフレーションの検証
WMAP(+others)
温度非等方性のスケール依存性は,
ΛCDM+インフレーション
の予言とよく一致.
スカラ型スペクトル指数: n
s= 0.95
∼
0.97
インフレーション問題
適当にポテンシャルを手で与えれば,スカラインフラトンを用いて(現在の)
観測と整合的なインフレーションモデルを作ることは容易である.
そのようなモデルは,インフレーションの背後に重力を含む統一理論が隠 れていることを示唆する. インフレーションがPlanck時に始まることが要求される.
インフラトンと他の場の相互作用は,重力相互作用程度となる.
現在,超弦理論・M理論は整合的な重力を含む統一理論の唯一の候補で
あるが,未だにそれに基づくインフレーションモデルは存在しない.特に,
次のNo-Go定理は大きな障害となっている.
10次元ないし11次元の超重力理論の余剰次元を定常,コンパクト
で滑らかな空間によりコンパクト化することにより得られる4次元理
論では宇宙の加速膨張は起こらない.
[Gibbons GW 1984]宇宙誕生を観測する
LISA (of Great Observatories), The Structure and Evolution of the Universe 2003 roadmap, "Beyond Einstein: From the Big Bang to Black Holes.“ (NASA)
CMB非等方性
より精密な観測.特に,ゆらぎの非ガ ウス性の測定 ⇒ 非線形効果を通して,インフレーショ ンの情報を得る. Planck (2009年打ち上げ予定) 偏光(特にBモード)観測 ⇒ インフレーションで生成された重力 波の観測 ⇒ インフレーションの終了時期など新 たな情報 KEK CMB group + Cosmophysics Group,NASA Einstein Inflation Probe (10 年後)
原始重力波
スペースレーザー干渉計
Lpl at inflation ⇒ L >10 RE
LISA, DECIGO (20年後)
新しい窓は新しい物理を生む
Cosmophysics Group Key Projects
重力を含む統一理論を宇宙初期進化で検証する