激動の宇宙 －X線天文学入門－

The Hot Universe: 激 動 の 宇 宙-X 線 天 文 学 入 門 -第 一 日 目松 本 浩 典京 都 大 学 理 学 部 物 理 第 二 教 室 宇 宙 線 研 究 室E-mail: matumoto@cr.scphys.kyoto-u.ac.jp(mail での 質 問 歓 迎 します!)Web: http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp/2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 1

宇 宙 も 全 く 違 った 姿 を 見 せますかに 星 雲 = 中 性 子 星 のいる 超 新 星 残 骸普 通 の 光X 線©CXC©CXC2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 3

普 通 の 光銀 河 団 : 巨 大 な 火 の 玉X 線©CXC©CXC銀 河 の 集 まり 数 千 万 度 の 高 温 ガスの 塊注 意 :「ガス」とは 単 に「 気 体 」という 意 味 です。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 4

講 義 にあたってのお 願 い講 義 中 不 明 な 点 は、 話 途 中 でも 構わないので、いつでも 遠 慮 なく 質 問してください。僕 もみなさんがどんなことを 不 思 議 に 思 うのか 知 りたいです。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 6

X 線 といえば…X 線 とはなんでしょう?体 が 透 けて 見 える!レントゲン 写 真 !!ちなみにこれは、X 線 を 発 見 したレントゲンさんの奥 さんの 写 真 です結 婚 指 輪レントゲンさんは、1901 年 第 1 回 目 のノーベル物 理 学 賞 を 受 賞 しました。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 7

日 本 人 もいい 線 行 ってた!レントゲンによるX 線 の 発 見 …1895 年 ( 明 治 28 年 )そのわずか10ヵ 月 後 に、 日 本 人 もX 線 撮 影 に 成 功島 津 源 蔵 = 島 津 製 作 所 初 代 社 長 が 初 の 撮 影 に 成 功© 島 津 製 作 所2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 8

X 線 は 光 の 一 種 !光 とは 電 磁 波 と 呼 ばれる 波 動 の 一 種 です。電 場 と 磁 場 が振 動 しながら空 間 を 伝 わります。©ISAS/JAXAでは、 目 に 見 える 光 ( 可 視 光 )とX 線 は 何 が 違 うのでしょう?2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 9

スペクトルについて©ISAS/JAXAスペクトル色 んな 波 長 の 光 が、どのくらいずつ 混 ざっているかグラフにしたもの。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 12

「スペクトル」を 例 えると…ミックスジュースの 成 分 表 のようなもの。内 容 物 の 成 分 グラフ120100グラム806040200みかんいちごバナナパイナップル牛 乳2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 13

我 々の 目 = 可 視 光 専 用 カメラ←光の量太 陽 スペクトル=どの 波 長 をどれだけ 出 すか沈 む 夕 日 。可 視 光赤 外 線← 短 い 波 長 長 い→太 陽 は 可 視 光 線 をたくさん 出 すので、我 々の 目 はそれを 受 けられるように 進 化 した2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 14

波 長 とエネルギーの 関 係光 のエネルギー(E)は、 波 長 (L)に 逆 比 例 します。E∝1/L可 視 光 : 波 長 L=5x10 -7 mぐらいX 線 : 波 長 L=10 -10 mぐらいX 線 の 波 長 は 可 視 光 の5000 分 の1ぐらい。だからエネルギーは5000 倍 くらい。エネルギーが 高 いので、 人 体 も 通 過 します。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 15

波 長 と 温 度 の 関 係短 波 長 長高 エネルギー 低色ガスの 炎 (2000 度 ) たばこの 火 (600 度 )温 度 が 高 い 物 体 ほど 波 長 の 短 い 光 を 出 す。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 16

X 線 を 出 す 物 体 の 温 度 は?温 度 はエネルギーの 尺 度 のひとつです。物 体 の 温 度 (T)はその 物 体 が 出 す 光 の 波 長 (L)に 逆 比 例 。T∝1/L可 視 光 を 出 す 星 : 太 陽 6000 度X 線 の 波 長 は 可 視 光 の5000 分 の1くらい。だから、X 線 を 出 すには、 温 度 は5000 倍 、すなわち、5000 X 6000 度 = 3000 万 度 !!!X 線 は 数 千 万 度 以 上 の 超 高 温 物 体 からしか 出 ない!2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 17

X 線 を 出 す 天 体 は 存 在 するか?• 太 陽 = 宇 宙 の 中 では 平 均 点 の 星 (6000 度 )• 一 番 青 い 星 ( 高 温 度 )でも 数 万 度1960 年 代 の 普 通 の 科 学 者「 宇 宙 にX 線 を 出 す 星 なんてあるわけないよ」2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 18

物 理 学 者 ブルーノ・ロッシ©MIT「 自 然 は 人 間 よりもはるかに 想 像 力豊 かである!」1962 年 ロケットを 打 ち 上 げ、初 めて「X 線 星 」を 発 見(1905-1994)ここ!2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 19

この 実 験 を 一 緒 に 行 ったのが…リカルド・ジャコーニー(1931 年 ~ 現 在 )X 線 天 文 を 切 り 開 いた 業 績 で、小 柴 昌 俊 ( 日 本 )、レイモンド・デービス( 米 国 )と 共 に、2002 年 ノーベル 物 理 学 賞 受 賞 !( 小 柴 、デービス 両 氏 はニュートリノ 天 文 学 の 開 拓 )2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 20

一 見 不 思 議 ですが…可 視 光X 線地 球 大 気X 線 は 地 球 大 気 を貫 通 できません。可 視 光 が 貫 通 するのは、 大 気 が 可 視 光 を 通 しやすい 成 分でできているから。逆 に、 人 間 の 体 は 可 視 光 を 通 しにくい 物 ( 炭 素 化 合 物 など)で 出 来 ている。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 21

大 気 の 生 い 立 ち大 気 の 成 分 : 窒 素 78%+ 酸 素 21%+ 残 り(1%)宇 宙 に 多 い 元 素1. 水 素2. ヘリウム3. 酸 素4. 炭 素5. 窒 素軽 いから 蒸 発軽 いから 蒸 発生 物 の 体 内 に 取 り 込 まれた結 果 として、 酸 素 と 窒 素 が 大 気 中 に 多 く 残 り、これらは 可 視 光 を 良 く 通 す 性 質 がある。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 22

観 測 には 人 工 衛 星 を 使 う!日 本 は 継 続 的 にX 線 天 文 衛 星 を 打 ち 上 げ、世 界 をリードしてきた!はくちょう1979--1985ぎんが1987--1991てんま1983--1989あすか1993--20012005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 23

現 在 活 躍 中 のX の 線 天 文 衛 星アメリカチャンドラX 線 衛 星細 かい 構 造 までくっきり 見 えるヨーロッパ 諸 国 連 合XMMニュートン 衛 星暗 いものまではっきり 見 える2001 年 のAstro-E 衛 星 打 ち 上 げ 失 敗 により、今 日 本 にはX 線 天 文 衛 星 はない。しかし…2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 24

日 本 次 期 X 線 天 文 衛 星 Astro-E2日 本 は 今 年 次 の 衛 星 Astro-E2を 打 ち 上 げる!Astro-E2世 界 一 精 密 なX 線 スペクトルがわかる!超 新 星 爆 発 、ブラックホールなどの 謎 に 挑 む!みなさんが 大 学 に 入 る 頃 、Astro-E2は 間 違 いなく 世 界 一 級 の 成 果 を 出 しています。京 都 大 学 理 学 部 物 理 学 科 に 来 ませんか?2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 25

観 測 装 置 は 手 作 り!どこにも 売 ってないから…京 都 大 学 、 大 阪 大 学 、宇 宙 科 学 研 究 所マサチューセッツ 工 科 大 学共 同 でASTRO-E2 搭 載 用X 線 CCDカメラを開 発 中 です。X 線 写 真 とスペクトルの 両 方 を 得 ることができるのが 特 徴2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 26

実 験 風 景 図2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 27

X 線 で 観 測 する 意 義• 可 視 光 = 普 通 の 宇 宙 の 姿•X 線 =エネルギーが 高 い!発 生 場 所 のエネルギーも 高 い何 千 万 度 の 高 温 のような、地 上 ではまずお 目 にかかれない 世 界 、宇 宙 の 極 限 の 姿 を 観 測 出 来 る!2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 28

お 待 たせしました!それではいよいよ 宇 宙 の 話 に入 っていきます!2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 29

膨 張 宇 宙現 在 宇 宙 は 膨 張 し 続 けています。( 正 確 には、 銀 河 と 銀 河 の 間 の 距 離 が 増 え 続 けているということ。)© 須 藤 靖例 えるなら、 地 球 が 膨 張 して日 本 とオーストラリアの距 離 が 増 えるようなもの。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 30

宇 宙 の 始 まりということは、さかのぼれば、 宇 宙 は 昔 点 のように小 さかった、つまり 宇 宙 には 始 まりがあったということです。ある 銀 河距 離 D宇 宙 の 年 齢 = D/v = 約 150 億 年遠 ざかる 速 度 v2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 31

原 子 はどこから?誕 生 直 後 の 宇 宙 には、 水 素 (H) と ヘリウム(He) 以 外の 原 子 はほとんど 存 在 しませんでした。しかし 現 在 は 多 種 多 彩我 々の 体 を 作 る、 炭 素 (C)や鉄 (Fe)、 空 気 中 の 酸 素 (O)や窒 素 (N)などは、いったいどこで 作 られたのでしょうか?2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 32

答 : 星 の 内 部 での 核 融 合星 ( 恒 星 )はほとんどが 水 素で 出 来 た、 高 温 ガス( 気 体 )です。 自 分 自 身 の 重 力 で、自 分 自 身 を 固 めています。圧 力重 力内 部 で 核 融 合 反 応 を 起 こして、 水 素 から色 々な 原 子 をつくり、その 時 発 生 したエネルギーで 輝 いています。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 33

原 子 について全 ての 物 質 は、 原 子 から 出 来 ています。原 子 は、 原 子 核 と 電 子 に 分 かれます。原 子 核 は 陽 子 と 中 性 子 から 出 来 ています。電 子 は 原 子 核 周 囲 を 回 っています。原 子 の 性 質 は、 陽 子 数 、すなわち 原 子 番 号 で 決 まります。ヘリウム 原 子 の 場 合電 子中 性 子陽 子2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 34

核 融 合 とは核 融 合 反 応 とは、 原 子 核 どうしがくっついて、陽 子 の 数 が 増 えて 別 の 原 子 になる 反 応 です。恒 星 の 内 部 では、 始 めに4つのHがくっついて1つのHeになる 核 融 合 が 起 きます。4H He + 2e + + 2ν + 10 -12 calその 後 、He + He BeHe + Be CHe + C Oなどの 反 応 が 起 こって 次 々に 新 しい 原 子 が 出 来 る。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 35

人 間 が 利 用 しているのは 核 分 裂原 子 力 発 電 所 では、 逆 に 原 子核 を 壊 したときに 発 生 するエネルギーを 利 用( 核 分 裂 反 応 )。まだ 人 類 は 核 融 合 の 平 和 利 用 には 成 功 していない。( 水 爆 は 核 融 合 反 応 だが…)2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 36

核 融 合 の 効 率太 陽 は、1 秒 に10 26 cal ものエネルギーを 核 融 合 で生 み 出 すが、 体 重 が2x10 30 kgもあるので、1kg 当 たりの 発 生 率 は10 26 cal/s ÷ 2x10 30 kg = 5x10 -5 cal/s/kg人 間 は、 体 重 60kgぐらいの 人 が 一 日 2000kcal 消 費するので、2x10 6 cal ÷86400s (=1 日 ) ÷60kg=0.4cal/s/kg核 融 合 って 効 率 悪 い!太 陽 がすごく 見 えるのは、 図 体 がでかいから。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 37

じゃぁなぜ 人 間 は 核 融 合 を 目 指 す?答 : 材 料 ( 燃 料 )がいくらでも 身 の 回 りにあるから。しかし、 高 温 高 密 度 の 状 態 に 物 質 を 閉 じ 込 めておくことができないので、まだ 成 功 していない。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 38

核 融 合 の 進 んだ 星 内 部 構 造たまねぎのような 構 造をしていて、 各 層 に 色んな 原 子 が 分 布 しています。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 39

原 子 の 放 出こうやって 色 々な 原 子 が 恒 星 内 部 で 合成 されるが、このままでは 星 の 外 部 には出 てこない。太 陽 の8 倍 以 上 の 質 量 の 星 は、 寿 命 を 終 えるとき、大 爆 発 を 起 こします ( 超 新 星 爆 発 )。超 新 星 爆 発 の 時 に、 恒 星 内 部 で 合 成 された 原 子が 宇 宙 空 間 に 飛 び 散 ります。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 40

超 新 星 爆 発恒 星 は 普 段 、 核 融 合 で 発 生 した 熱 による 外 向 きの 圧 力 と、 自 分 自身 の 重 力 がつりあっている。もし 燃 料 ( 水 素 )がなくなったら、 自 分 の 重 力 に 対 抗 する 圧 力 がなくなるので、 内 部 へ 崩 壊 する。その 時 大 爆 発 が 起 きる。©CXC(アニメーション)ブラックホールか中 性 子 星 が 残 る2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 41

超 新 星 爆 発 の 実 例1987 年 2 月 23 日 の 大 マゼラン 星 雲2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 42

1987 年 2 月 24 日 の 大 マゼラン 星 雲超 新 星 爆 発小 柴 先 生 は、この 超 新 星 爆 発 からのニュートリノを 検 出 した 装 置 を 作 って2002 年 のノーベル 賞 を 取 られました。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 43

超 新 星 残 骸超 新 星 は、10 44 Jものエネルギーを 放 出 。全 世 界 の 消 費 エネルギーの10 26 年 分 !(ちなみに 地 球 の 年 齢 は4.6x10 9 年 )これほど 凄 まじい 爆 発 が 起 こると、 周 囲 にその 痕 跡 が 何 万 年 も 残 ります。これを 超 新 星 残 骸 と 呼 びます。(アニメーション)2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 44

超 新 星 残 骸 の 温 度 は?超 新 星 爆 発 による 爆 風 速 度 (v)は、 約 10000km/s。水 素 原 子 がこの 速 度 で 飛 び 出 したとき、 運 動エネルギーは、E = ½ mv 2 = 8.4x10 -14 Jここで 水 素 の 質 量 m=1.67x10 -27 kgこの 運 動 エネルギーが 温 度 に 変 わったら、一 体 何 度 になるでしょう?2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 45

魔 法 の 定 数 :ボルツマン 定 数エネルギー (E) と 温 度 (T: 絶 対 温 度 ) には 非 常 に簡 単 な 関 係 があります。E=kTここで、k:ボルツマン 定 数 1.38x10 -23 J/K先 程 の 場 合 、E=8.4x10 -14 J だったので、T=E/k=6.1x10 9 K= 約 60 億 度実 際 には 種 々の 影 響 で 数 千 万 度 の 物 が 多 いが、いずれにしても 超 高 温 なのでX 線 を 出 す。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 46

Cassiopeia A超 新 星 残 骸 のX の 線 写 真 集KeplerCrab©CXCE0102-72 G320.4-1.2 W49B2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 47

超 新 星 残 骸 カシオペアA約 300 年 前 の 超 新 星 爆 発 の 跡 !X 線 写 真©CXC10 光 年2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 48

どんな 原 子 が 放 出 されたか?X 線 スペクトルを 見 ればわかります。各 原 子 はその 原 子 に 特 有 のエネルギーを持 った 吸 収 線 や 輝 線 X 線 を 出 します。これを 特 性 X 線 といいます。©ISAS/JAXA2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 49

特 性 X 線X 線電 子 が、 原 子 核 周 囲の 軌 道 を 変 わるときに、特 性 X 線 が 放 出 されたり 吸 収 されたりする。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 50

カシオペアAのX 線 スペクトル(1)曲 がり 具 合 から温 度 がわかる。温 度 約 3000 万 度 !2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 51

カシオペアAのX 線 スペクトル(2)各 原 子 に 特 有 の 線 が 出 るどんな 原 子 がそこにあるのかわかる2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 52

人 間 の 体我 々の 体 には、 炭 素 や 鉄 やカルシウムなど多 くの 原 子 が 含 まれていますが、これは全 てどこかの 星 の 内 部 で 作 られたものです。人 間 は 星 の 子 供 です!2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 53

爆 発 の 影 響 は 地 球 にも 及 んでいる!地 球 には、 絶 えず「 宇 宙 線 」と 呼 ばれる 高 エネルギー 粒 子 ( 放 射 線 )が 降 り 注 いでいる!ピッ!ガイガーカウンター高 エネルギー 粒 子が 通 ると、 電 流 が 一瞬 流 れて 音 が 鳴 る2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 54

空 気 シャワー 反 応一 次 宇 宙 線( 陽 子 など)大 気 中 の 原 子 と 次 々に 反 応我 々が 浴 びている 二 次 宇 宙 線2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 55

一 次 宇 宙 線 のエネルギー?宇 宙 には、 一 粒 で16Jもの 運 動 エネルギーを 持 つ宇 宙 線 も 存 在 する!比 較 :プロ 野 球 日 本 記 録 (158km/h)の 野 球 ボールの 運 動 エネルギーは、E=1/2MV 2=1/2x(0.145kg)x(158km/h)=140J元 阪 神伊 良 部 投 手今 怪 我 のリハビリ 中陽 子 一 個 は1.67x10 -27 kg( 野 球 ボールの10 26 分 の1)しかないのに、 運 動 エネルギーは1/10に 迫 る!2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 56

一 次 宇 宙 線 はどこで 生 まれた?SN1006超 新 星 残 骸 のX 線 写 真 とスペクトルを 詳 しく 解 析 し、超 新 星 残 骸 で 宇 宙 線 が 生 まれていることを 実 証 した。( 我 々の 研 究 室 の 成 果 です!)2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 57

まとめ1. X 線 はエネルギーの 高 い 光 の 一 種 である。2. X 線 を 発 生 している 場 所 もエネルギーが 高 い。3. X 線 で 宇 宙 を 見 ると、 激 しいところばかりが 見 える。4. 超 新 星 爆 発 により、 宇 宙 にHとHe 以 外 の 原 子 が 増 えてきた。5. 人 間 の 体 は、 昔 は 一 度 は 星 の 中 にいた。6. 超 新 星 爆 発 は 宇 宙 線 も 生 み 出 す。2005 年 1 月 22 日 西 大 和 学 園 第 一 日 目 58