『宇宙論』Turkey Seminar　第6回

　　　　　　　2000.5.12『Turkey Seminar』1-06

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みなさん　こんばんは。
Dr. Pの『Turkey Seminar』の時間がやってまいりました。

　　*******((((((((((((BOOK1最終回))))))))))*********　

　■まるちゃんへ：　【勝手に○○日報！】・・０５１１　目を通しました。
　　　　「Ｃドライブ＋Ｄドライブ＝Ｃドライブ」　→　楽チンでいいかもね。
　　　　・・じかいみてい。またみてみたい？　→　相変わらず名調子だね。
　　　　快速　バーチャル丸　乞う連載！　辛口の酒に合うヤツ　頼む。

　■MUSEさんへ：　“いじわるpoesieさん”　はもういなくなりましたね。
　　　　P.S #1：　木星旅行のアストロノーツとしては、「おさら」に、
　　　　　　　　もちろん　Flying Saucer (Object)を掛けておりました。

    　　そんなことより、再び
　　　　P.S #2：
　　　　「ツァラ」ちゃんの続きって　計画されます？《ヒョッ　ホィ！Part#2》

　　*******((((((((((((Poesie@Kichijoji))))))))))*********　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《イントロ　了》


☆★☆　それでは、第６回目の授業　開講します。起立っ　礼ぃ　着服（コラ!?）

　　*****Turkey Seminar*****#006*****2000.5.12*****Dr. P*****

M63銀河　M61銀河　M31銀河
りょうけん座　2400万光年　　　　　おとめ座　4100万光年　　　　　　アンドロメダ座「大星雲」

【1-06】　BOOK 1 ： 現代宇宙論の最前線
　Sheet 6

　きらびやかな装いをまとった世の背後には、往々にして裏の世界というものがあり、そこを牛耳っている黒幕がいるものです。あるときはビッグ・ブラザー、あるときはフィクサー、そしてあるときはキングメーカーといったぐあいに。そして、暗黒街のボスは陰で物事を操るだけで、簡単には表に姿を見せません。

　宇宙も例外ではないといえます。星や銀河の光がさんざめく宇宙にも、暗黒社会をしきる「黒幕」が存在し、周囲に絶大な影響力を誇っています。その力は、宇宙の運命を左右するような局面にまで及んでいるといえます。

　その名は、ダークマター（暗黒物質）。宇宙にあって隠然たる勢力を誇っている存在を、宇宙論研究者はこう呼びます。

　宇宙にダークマターが存在すると考えられ始めたのは、ごく最近のこと。渦巻き銀河の回転運動の観測を通してです。

　星間に漂う中性水素の出す電波を頼りに、近くの銀河の回転速度を測ることができるのです。そして、簡単な理論と回転速度から、我々の天の川銀河の質量を推定できるのです。この方法ではじき出された値は、太陽の質量のほぼ一千億倍でした（太陽２０００億個分という人もいます）。

　ところで、銀河にはハローという部分が伴っています。銀河を取り巻いている球状の暈（かさ）で、銀河中心から２０万光年くらいまで広がっており、球状星団など古い天体が多く分布しています。

　そこで、今の観測をハローの部分まで拡大していくと、中心から一定の距離以上のところでは、回転速度が一定になってしまうことが分かってきました。この事実は、ハローに存在する物質量は非常に少ないとというこれまでの常識を覆しました。

　というのも、この事実は、銀河の外周部からハローに向かって、距離に比例して質量が増えていくとしないと説明がつかないからです。電磁波による観測にはかかってこない物質がハロー部分に大量に分布していると考えざるを得ないのです。しかもその全質量は、銀河中の電磁波で光る星や星間ガスなどの物質の全質量の５倍ほどにも達するといいます。

　これは銀河だけでなく、銀河団や超銀河団についてもいえることが明らかになってきました。こうして結局、宇宙には電磁波で見える物質の質量の１０倍から１００倍にも及ぶ見えない物質、つまりダークマターが存在するということがはっきりしてきたのです。

　「宇宙の振る舞いを大局的に決めているのは重力である」、というのが今日の宇宙論の大前提。だとしたら、本当に宇宙のドラマを語ろうとするなら、ダークマターこそ宇宙の主役たるに相応しい存在ではないだろうか？

　こんな疑問が湧いてきても当然です。じっさい、宇宙の本当の物質密度はどのくらいなのかは、ハッブル定数の決定と並んで、宇宙論に課された最大の宿題のひとつになっています。当然、その大半をダークマターが担っているわけです。

　では、ダークマターの正体は何なのか？

　この問いに対して、さまざまな候補物質が提案されています。

★褐色矮星は最近の観測でいくつか検出されています。

★アキシオン、超対称性粒子などはまだ検出されてはいないものの、今日の標準的な理論ではなくてはならない存在。

★ニュートリノは純理論的には質量がゼロだが、一定の条件を満たせば質量をもつことができるため、候補に挙がっています。

★クオークナゲットは、クオーク星として理論的に研究され、検出の試みも始まっています。

　1990年代、CDMやHDMの分類とは異なる基準で、マッチョ（MACHO）というニックネームの分類項目が加わり、俄然注目を集め始めています。マイクロ重力レンズ効果という、ダークマターの検出法を念頭に設けられた項目で、非常にコンパクトで重く、しかも銀河ハロー中に存在する天体という意味。これに最も可能性が高いのは、宇宙誕生から１０万分の１秒後の宇宙でできたミニブラックホール。

　今のところ、いささかでも観測的に存在が直接実証されているダークマターの候補は褐色矮星だけ。ブラックホールも、星の最後としてのブラックホールや銀河中心の巨大ブラックホールの有力な証拠は得られているが、相手がブラックホールだけに確証は得られていません。
　
　MACHOとしてのミニブラックホールはどうだろうか？

　アメリカとオーストラリアの研究者グループが実際に検出実験に挑み、1993年には早くもそれらしい天体一例を発表、1996年にはそれも含めて計８例の観測例を報告しました。これがブラックホールであるという証拠はまだないが、少なくともMACHOであれば満たすはずの条件を備えた天体であることは確かなようです。

　もしこれが本当にMACHOで、しかも充分な量が存在すれば、初めてダークマターらしきものの存在が確認されることになるわけです。

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　銀河がつくるさまざまな階層の構造のできる時期と順序、速さ、そして大きさ。こうした宇宙モデル構築上の縛り、観測と矛盾しないようにする調整、などの理由で、ダークマターの候補なら、どれも実際のダークマターになり得るというものではありません。

　「熱いダークマター（HDM）」の代表である質量をもつニュートリノについては、1998年、岐阜県神岡町にある東京大学宇宙線研究所のニュートリノ検出装置、スーパーカミオカンデを使った観測で、ニュートリノに質量があることはあるが、暗黒物質の候補となるのに期待される質量にははるかに及ばない大きさであると見積もられ、暗黒物質としてのニュートリノの可能性は消えたのです。

　一方、「冷たいダークマター（CDM）」を使ったモデルは、ボトム・アップ型の銀河形成論（別名ヒエラルヒー〈階層〉理論：　最初に銀河ができ　→　数多く集まって銀河集団を形成　→　やがて　ずっと大きな　超銀河集団　が形作られたとする今日最も有力視されている銀河形成のモデル）を断熱ゆらぎで実現しようとするシナリオ。ゆらぎのスペクトルで、小さなスケールのゆらぎのほうが大きな振幅をもつため、成長も早いというわけです。

　その他、“バイアス理論”や、「冷たいダークマター（CDM）」と「熱いダークマター（HDM）」とを組合せ、それぞれに都合のよいスケールの天体や構造を受け持たせようという“二成分無衝突粒子系モデル”などが　提案されています。

　これらのモデルにおける問題点の本質については、後にもう一度立ち戻ることにして、さらに重要なもう一つの観測結果について見ていくことにしましょう。それは、銀河集団の大流動とか、銀河の非一様運動と呼ばれる現象のことです。

　1930年にエドウィン・ハッブルが示したように、銀河系外銀河は、我々のいる位置からの距離に比例した速度で我々から後退しています。この規則性を普通、ハッブルの法則、それに伴う銀河の後退はハッブル流と呼ばれています。しかし、個々の銀河が、必ずしも厳密にハッブル流にかなう運動をしているわけではないことも事実です。

　ハッブル流に乗りながら、それぞれの銀河は独自の運動も行っているわけです。これを銀河の「特異運動」といいます。我々の銀河系もその例外ではないのです。

　天文学者たちは、1950年代以来の観測の蓄積から、我々の銀河系やアンドロメダ銀河などを含む局部銀河群が南十字星の近く、約１億光年先にある「うみへび座−ケンタウルス座超銀河団」に向かっていることを明らかにしています。

　さらに、1983年から５年がかりで観測プロジェクトを進めてきたワシントン・カーネギー研究所のA・ドレスラーら７人のサムライの努力で、局部銀河群だけではなく、局部超銀河集団も、そして「うみへび座−ケンタウルス座超銀河団」までもが、「うみへび座−ケンタウロス座超銀河団」までの二倍の距離のところに向かって、毎秒約６００キロメートルの速度で落ち込んでいるということが明らかになっています。

　しかも、ここにあると思われる大引力源（グレート・アトラクター）に引っ張られている銀河は、約３０億光年もの広さに分布しているらしいこともはっきりしています。

　こうした大規模な銀河集団の流動の発見が、宇宙論に与えたインパクトは大きなものがありました。

　1970年代までの宇宙像に関する宇宙論研究者の見解は、概ね次のようなものでした。

　『数千億個もの星の集合体である宇宙の小システム＝銀河が、数十集まって銀河群を、さらにそれが数百〜千個も集まって銀河集団をつくり、宇宙に均一に散らばっている。』

　しかし1970年代も末になると、実際の宇宙はそれまで考えられていたほど単純ではないらしいことが次々と明らかになってきたのです。優れた観測機器が登場して、遠くの銀河の赤方偏移の測定が可能になり、我々の視線が到達し得る限り遠方の銀河分布が調べられるようになったからです。

　かみのけ座銀河集団と銀河集団A1367、それらをつなぐ橋状の銀河分布が一体となって６千万光年規模の超銀河集団（スーパークラスター）を形作っており、さらにその手前に、銀河がほとんど認められない領域（ボイド）があることが分かったのは、1978年、米・アリゾナ大学のS・A・グレゴリーとL・A・トムソンの観測結果。

　旧ソ連領エストニアにあるストルーベ天文台のJ・エイナストが、1980年に発表したのは、ペルセウス座銀河集団を含む領域にあるボイド（空白域、空洞。明るい物質のほとんど存在しない領域）。

『そして、ボイドを囲む超銀河集団は、個々の銀河が宇宙を網の目のように埋め尽くす“細胞”の一つで、その“細胞壁”どうしが交わる“格子点”に当たる部分が、銀河の密度が高い銀河集団によって形成されていた。それだけではなく超銀河集団はフィラメント（連鎖）状か、または板状の構造をとっている。』とエイナストは言っています。

　さらに、1981年に米・ミシガン大学のR・P・カーシュナーによって、うしかい座の巨大ボイド（さしわたし３億光年）が発見され、チョット見には、ノッペリした宇宙の顔も、眼鏡をかけてみると、目鼻立ちがはっきりして見えた、という状況になってきたのです。

　1986年、米・ハーバード大学スミソニアン天体物理学センターのマーガレット・J・ゲラーとJ・P・ハクラは、エイナストらが天体の限られた領域での観測から引き出した宇宙について、さらに大きな領域の観測に基づいて、具体的にその姿を示して見せてくれました。

　ハーバードのグループは1970年代から、１５．５等級より明るい銀河について、しらみつぶしに赤方偏移を調べ、銀河の三次元空間分布を明らかにするという、CfAプロジェクトを推進してきて、ついに1986年の正月、赤経８〜１７時角、かみのけ座方向の厚み６度、奥行き４．５億光年の扇形をしたくさび状の領域の、約１１００個の銀河について得られた結果を発表しました。

　そこには、銀河の集団が形づくる壁を境に、ボイドが数多く相接して存在している様子が手に取るように示されました。この多孔状態をさして、ゲラーがなぞらえた形容は　『宇宙は、ちょうど、洗剤の泡で埋めつくされた台所の流しのようだ』。

　その後、CfA探査によるデータの解析は進み、ゲラーたちが1989年末に発表した銀河マップからは、我々のいる地球から約２億７千万光年先の宇宙に、幅約３億光年、長さ約５億光年、厚さ１５００万光年という規模の、銀河が密集した、壁に似た構造が存在していることが読みとれます。

　この様子をゲラーは、万里の長城になぞらえて【グレート・ウォール】と呼んでいます。あいにく、銀河系の円盤部分で視野の一部がさえぎられ、全周についての結果はわからないが、その部分にもこの【グレート・ウォール】が続いているとすれば、長さは１０億光年に及ぶだろうと推測されています。《ゾク、ゾクします》

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　1990年代、宇宙論のシーンは一変しました。

　米航空宇宙局（NASA）が1989年に打ち上げた宇宙背景放射探査衛星「COBE」が挙げた成果が、９０年代の宇宙論活性化の口火を切りました。

　この衛星は、マイクロ波宇宙背景放射（MCBR）の観測を実施。それにより、1990年代初めまでに、MCBRが温度２．７３Kのほぼ完全な黒体放射になっていること、MCBRには空間的に約１０万分の３度の温度ムラ（非等方性）があることなどが判明。

　この結果から一時期、ビッグバン宇宙モデルが確証され、宇宙の大規模構造の進化が説明されたという楽観的な空気が流れましたが、その後、COBEよりもさらに高い角分解能での観測が必要との判断から、観測計画が地上、衛星両面で、数多く立てられました。

　決定的データは、NASAのゴダード宇宙センターのマイクロ波非等方性探査衛星（Microwave Anisotropies Probe, MAP、2001年打ち上げ予定）と、ヨーロッパ宇宙機関（ESA）のPLANCK（2004年打ち上げ予定）の二探査衛星の観測で得られるものと期待されます。

　いずれも、COBEの３０倍という角度分解能で宇宙の非等方性地図を作る予定です。

　もうひとつ、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）が1990年代に入り、本来の性能を発揮し始めたたことと、地上に８〜１０メートル級の光学・赤外線望遠鏡が完成し、観測を開始したことが、９０年代の宇宙論を変えるきっかけになりました。

　宇宙論の研究者たちは、宇宙をつくっている最も小さい“素材”を銀河と考えています。もちろん、星や星間物質と呼ばれるガスも宇宙をつくっている大事な“材料”ではあります。しかし、光による観測で、遠くの宇宙まで姿が捉えられるのはやはり銀河。したがって、近くの宇宙から遠い宇宙まで調べるには、銀河がまたとない観測対象となるわけです。

　銀河がどう動いているか、どういう光を発しているか、どのような一生をたどるのか、いろいろな形をしているのはどうしてか、銀河どうしの集団がどのようにしてできるのか、銀河が描く宇宙地図が意味するものは何か………？

　このように、銀河自体に関する疑問がたくさんあり、それらを解こうとする努力が、一方では宇宙のなぞ解きのセンサーにもなっているといえます。

　★では、宇宙のなぞとはどんなものか？

　たとえば、銀河がいつごろからでき始め進化してきたのか、銀河の形成が先で銀河団や超銀河団はあとからできたのか、それとも大規模構造の形成が先で、銀河はあとか、といった問題がそれ。

　これらは、ビッグバン宇宙モデルのシナリオを完成させるうえで、避けて通ることのできない問題といえます。これらの問題にはっきりと答えを出すのに最も良い方法は、銀河の誕生期の宇宙にまで観測の足を延ばすことです。

　1955年12月にハッブル望遠鏡の運営にあたる宇宙望遠鏡科学研究所（STSc�T）が始めた「ハッブル・ディープ・フィールド（HDF）」観測プロジェクト。「ディープ・フィールド」を文字通り解釈すれば、深い写野、もしくは遠い宇宙のことですが、天文学では、かすかな光の天体がある領域をさす言葉として使われます。

　このプロジェクトは、北斗七星のひしゃくの柄の付け根近くの、角度で２分ほどのごく狭い範囲を、１０日間、通算１００時間ぶっ続けに、広視野惑星カメラ２（WFPC2）がじっと「見つめ続ける」というもの。

　この観測で得られた画像には、近くのものから遠方のものまで、ざっと３０００を超える銀河が写し込まれていました。HDFで捉えた銀河のデータをもとに、現在地上で稼働している望遠鏡がさらに詳しく観測しているわけです。

　現在、こうした観測に力を発揮している巨大望遠鏡は、1990年代前半から活動を始めている口径１０メートルのKeck望遠鏡（ハワイ島マウナケア山頂）�T、�U。続いて、1998年前半にヨーロッパ南天文台のVLT（Very Large Telescope、南米チリ・アンデスのパラナル天文台、口径８．０メートル）の４基の望遠鏡の最初の１基目（マプチェ語で太陽を意味するAntuと命名）が完成。

　1999年には、日本の国立天文台のすばる望遠鏡（ハワイ島マウナケア山頂、口径８．３メートル）と、米・英・加・豪・南米諸国系７か国が共同で建設中の２基の望遠鏡群GEMINIのうちの１基（GEMINI北、ハワイ島マウナケア山頂、口径８．２メートル）、VLTの２基目（同じく月を意味するKueyenと命名）が、ファーストライトを果たしました。

　ほかにも、マグナム・ミラー望遠鏡（MMT、口径６．５メートル、アリゾナ大学＋スミソニアン研究所、ホプキンズ山MMT天文台）、Magelan望遠鏡（口径６．５メートル、カーネギー研究所天文台、チリのラス・カンパナス天文台）、光学領域におけるアレシボ型のホビー−エバリー望遠鏡（HET、口径１１メートル、テキサス大学＋ペンシルベニア大学、テキサス南部のマクドナルド天文台）、スペインのORM１０メートル望遠鏡（カナリア諸島のロケ・デ・ロス・ムチャチョス天文台）などの完成が控えています。

　おそらく、ディープ・フィールド探査は、NASAが2005年に打ち上げを予定している次世代宇宙望遠鏡（NGST）や地上の赤外線望遠鏡による赤外線領域での観測へと引き継がれ、まったく新しい銀河宇宙像を見せてくれるに違いないと思います。

　1990年代から宇宙論の大問題とされてきた宇宙年齢のパラドックスをめぐる議論、ハッブル定数の決定の問題、宇宙定数の導入の問題、ガンマ線天文学が切り開いた世界、重力は天文学の幕開けなど、理論、観測にまたがる非常に重要な問題については、紹介し切れていません。これらについての紹介は、別の機会に譲らせていただくことに。

　いずれにしても、２０００年代、宇宙論＝銀河天文学は、まったく新しい位相に入ったと言えます。

　　*******((((((((((((BOOK1　了　))))))))))*********　

　BOOK 1 ： 現代宇宙論の最前線（「消化不良」篇）　はこれにて　終了です。
　受講生の皆さん　お付き合い　ご苦労様でした。

　今日の講義までの　難行苦行を　“胃薬”と共に　乗り切ることができた人
　何人いたことやら？　あえて、出席は取りますまい。

　次回からは　お約束通り　「達成感」篇　BOOK 2 ： 現代宇宙論の萌芽
　−アインシュタインを味わおう−　が始まります。
　お楽しみ？　（お苦しみ？　）　に。

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　《みんな　大丈夫かなぁ　お〜い！　ついてきてるかい？》

−−−That's All for Today ! So Long Everyone !

　　　（では、本日は、ここまで。）

By Dr. P
　　　E-mail : poesie@s5.dion.ne.jp
 　　　　 　URL : http://poesie.hp.infoseek.co.jp/

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