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宇宙物理学最前線 21世紀に残された4つの謎

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(1)

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

(2)

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

(3)
(4)

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

(5)

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!!

(6)

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.

(7)

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)

(8)

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

41

erg/s per galaxy

Cf. 3×

E

K,SN

/ 100 yr ≈

10

42

erg/s

„

宇宙線の加速

‰

衝撃波による1次のFermi加速では

E

max

5·10

6

GeV

(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。

(9)
(10)
(11)

宇宙はジェット流で満ちている!

(12)

Crab Nebula (HST + Chandra) [HubbleSite]

中性子星,ブラックホール

(13)

1kpc scale jet from M87 [HubbleSite]

(14)

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 20

49 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)

(15)

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。

(16)

„ 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

(17)
(18)
(19)
(20)

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

(21)

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

(22)

Hubble定数 by HST

„

Hubbleの法則

cz = H

0

d (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

(23)

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 D

(24)

Flat 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 t

(25)

SNIa

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

(26)

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 Bang

(27)

Jeans 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 L

(28)

Sounds 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 CMB

(29)
(30)

Doppler 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.

(31)

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

(32)

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 Bang

WMAP Collaboration: ApJ Suppl. 170:377 (2007)

SDSS Collaboration: ApJ 633: 560 (2005)

WMAP 5yr data: arXiv:0863.0547

(33)

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!!

(34)

Reacceleration of the Universe

宇宙の

張速度

イン

熱いビッグバン宇宙

宇宙時間

現在の

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 year

2007 Chandra X observation (fgas method)

(35)

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

28

eV, E

GUT

=10

25

eV, E

EW

=10

11

eV, E

QCD

=10

8

eV

(36)

„

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!

(37)
(38)
(39)

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

(40)

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.

(41)

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?

(42)

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

(43)

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

(44)

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

(45)

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

(46)

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

(47)

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]

(48)

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)

(49)
(50)

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

‰

宇宙ジェットとブラックホールの高エネルギー物理

B-mode Satellite, GW BBO,

Space VLBI, ICECube

より高感度,より高解像度の観測

参照

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