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宇宙



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宇宙誕生と元素
  • 宇宙が誕生して間もない頃は、水素やヘリウム、リチウムといった軽い元素しかなかった。
  • 宇宙の始まりの大爆発(ビッッグバン)から約1/1万秒後、「陽子」や「中性子」が生まれた。
  • 陽子は水素の原子核で、1分後には「水素」(陽子1個)ができた。
  • 陽子と中性子が2つずつ集まって「ヘリウム」が誕生し、
  • 20分後に「リチウム」が作られた。
  • 水素やヘリウムが集まって「星」ができる(元素誕生の第2段階)。
  • 原子核は陽子と中性子が集まってできる。
    プラスの電気を持つ原子核はたがいに反発するが、星の大きな重力で内部が超高温・超高圧になり、原子核がくっついて重い元素になる核融合反応が進む。
  • 3つのヘリウムの核融合で「炭素」ができ、
  • 炭素とヘリウムが融合して「酸素」(陽子8個)が生まれる。
  • そして、26番目の「鉄」ができる。
    核融合でできるのは鉄(陽子26個)までが限界とされる。ここで核融合は止まってしまう。


重い元素はどうしてできたか?
  • 例えば「金」は陽子79個。

    金より重い元素を合成するには、大量の中性子が必要。
    星内部の核融合では足りない。
  • かっては重い星の最後に起こる超新星爆発によって金ができたとする説があった。しかし、“超新星爆発では中性子が足りない”(国立天文台の滝脇知也教授)
    そこで、中性子を大量に含む中性子星の合体の可能性が浮上。

    中性子は不安定ですぐに電子を出して陽子に崩壊する。

中性子星
  • 1967年に存在が確認された。
    太陽の約10倍以上の星が爆発して残った残骸の星。
    原子核を構成する中性子でできている。
  • 宇宙でガスなどが集まって星ができると、内部では核融合が起きる。
  • このときに生じたエネルギーで、自身の重力でつぶれないように形を保っている。
  • 燃料を使い果たして核融合が止まると、超新星爆発によって外側の物質が吹き飛び、中心には重い中性子星が残る。
  • さらに、重くなると、重力によってつぶれてブラックホールとなる。

  • 中性子星から放出された「重力波」の観測で、2017年ノーベル物理学賞。



宇宙の中身
2009年に打ち上げた観測衛星「プランク」のデータから
  • (4.9%)星などを構成する水素や酸素などの通常の物質。
  • (26.8%)暗黒物質
  • (68.3%)暗黒エネルギー
宇宙の年齢
  • 2001年に打ち上げられた衛星「WMAP」は137億年。
  • 2009年に打ち上げられた衛星「プランク」は138億年。




インフレーション理論
  • 「1980年に、佐藤勝彦・東京大学教授が提唱。
    宇宙が誕生初期に急激に膨張したとする「インフレーション理論」が高い精度で裏付けられたと2006年3月NASAが発表。宇宙を飛び交っている目に見えないマイクロ波「宇宙背景放射」の温度や波形のゆらぎなどを分析した結果、理論値と一致した。

宇宙背景放射
  • 1965年、アーノ・ペンジアス氏とロバート。ウィルソン氏が発見。
  • 宇宙のあらゆる方向から地球に降り注ぐ微弱な電波。
  • 宇宙誕生の大爆発ビックバンから38万年後の光の名残。
  • ビックバン理論を実証。

スーパー宇宙線
  • 宇宙線は宇宙から飛んでくる高速の粒子のこと。そのエネルギーには上限があるとされ、これを超えるものをスーパー宇宙線と呼んでいる。
    宇宙を飛ぶうちに、ビッグバンの名残の電波にジャマされてエネルギーが奪われ、1.5億光年以上に進めないことが、特殊相対性理論に基づく計算でわかっています。宇宙線が生まれると見られる活動銀河核など大きなエネルギーを持つ天体が地球から1.5億光年以内には見あたらないため、地球にはスーパー宇宙線は届かないとされています。
    ところが、長野元彦・東大宇宙線研教授らのグループが、山梨県の施設で1990年〜13年間で11個のスーパー宇宙線を観測しました。一方、異なる方法でユタ大学は特殊相対性理論通りの結果を発表しています。そこで米ユタ州にテレスコープアイ(TA)という装置を設置し、東大と共同観測を2007年4月から始じめる。
    スーパー宇宙線があるとわかれば、地球のそばに道の高エネルギーの発生源があると考えられる




ポアンカレ予想
  • 単連結な3次元閉多様体は3次元球面S3に同相である」という予想であり、1904年にフランスの数学者アンリ・ポアンカレによって提出された。以来ほぼ100年に渡り未解決だったが、2002年から2003年に掛けてロシア人数学者グリゴリー・ペレルマンはこれを証明したとする複数の論文をarXivに掲載した。これらの論文について2006年の夏頃まで複数の数学者チームによる検証が行われた結果、現在では彼が実際に証明に成功したと考えられている。
    宇宙に果てはあるのか?宇宙は一体どんな形なのか?
    人類が長年、問い続けてきた謎に大きく迫るヒントが去年見つかった。百年もの間、誰も解けなかった数学の難問「ポアンカレ予想」が証明され、宇宙がとりうる複数の形が初めて明らかになったのだ。世紀の難問を解いたのはロシアの数学者グリゴリ・ペレリマン(41)。その功績により、数学界最高の栄誉とされるフィールズ賞の受賞が決まったが、彼は受賞を拒否し、数学の表舞台から消え去ってしまった。その真意をめぐって様々な憶測を生んでいる。「ポアンカレ予想」にはこれまで、幾多の天才たちが魅了され、人生のすべてを賭けて挑み、そして敗れ去ってきた。ペレリマンがその栄誉に背を向け、姿を消したのはなぜか。
    2002年から2003年にかけて当時ステクロフ数学研究所に勤務していたロシア人数学者グリゴリー・ペレリマンはポアンカレ予想を証明したと主張し、論文をプレプリント投稿サイトとして著名なarXivにて公表した。その中で彼はリチャード・ストレイト・ハミルトンが創始したRicci flowの理論に「手術」と呼ぶ新たな手法を付け加えて拡張し、驚くべきことにサーストンの幾何化予想を解決してその結果としてポアンカレ予想を解決した(と宣言した)。

    非常に単純に言えば、幾何化予想とは、多様体を幾つかのピースに分割し、そのピース毎に幾何的性質を調べるというものである。一方で、Ricci flowを用いたときに、ピースから全体を構成しなおすときに特異点が発生する可能性がある。ペレルマンはこの特異点の発生条件と特異点の性質を調べ、特異点が発生しないような手法を考えた。それが手術といわれる方法である。



宇宙の終わり?
  • 2009年、宇宙に終わりがあるのかどうかを確かめよう・・・。そんな壮大な観測計画に東京大学や国立天文台などが乗り出す。一度に約3000個の銀河を観測できる最新鋭の装置を米ハワイ島にある[すばる望遠鏡]に設置。宇宙の膨張を加速するエネルギーの正体を明らかにするのがネライ。
    計画では、5年間で約300万個の銀河を観測。それをもとに宇宙の膨張を加速する『ダークエネルギー』と呼ばれる未知のエネルギーを詳しく調べる。このエネルギーの増え方が多ければ宇宙は最後には引き裂かれて終わりを迎えると考えられている。
    観測には直径80cmのレンズの背後に約3000本の光ファイバーを配置した分光器を使用。光ファイバーを制御して銀河を一つずつ観測し、銀河までの距離や動く速さを調べる。
    観測できる広さはハッブル宇宙望遠鏡の1000倍で効率よく銀河を観測できる。

3次元のナゾ解明
  • 2011年、高エネルギー加速器研究機構などのグループは、究極の物理理論と期待されている「超ひも理論(超弦理論)」で、3次元空間の宇宙が誕生する過程をスーパーコンピューターのシミュレーションで解明した。
    超ひも理論では空間が9次元と予測しており、われわれのいる宇宙がなぜ3次元なのかが40年近く大きなナゾだった。
    静岡大学、大阪大学との共同研究成果で、1/4のフィジカル・レビュー・レターズに掲載。
    超ひも理論は物質などの最小単位である素粒子を点ではなく1次元的な広がりを持っている「ひも」と考える仮説。
    自然界に存在する4つの力をまとめて説明できる。ただ、超ひも理論では「空間9次元・時間1次元」と予測され、我々の宇宙が、「空間3次元・時間1次元」になっている理由をどう説明するか?が、重要な課題だった。
    研究グループは従来より正確なシミュレーションの計算手法を確立。宇宙誕生時の癰疽を解析したところ、空間9次元のうち3次元の方向だけ膨張し始めることを世界で初めて突き止めた。

暗黒時代
  • 2015年、宇宙が約138億年前にビッグバンで誕生した後、初期の星や銀河が放つ光が自由に進まず、望遠鏡で観測できない「暗黒時代」は約5億5千万年後まで続いた可能性が高いと、国際研究チームが2/9までに、発表した。
  • ESA(欧州宇宙機関)も天文衛星プランクが観測した成果で、米衛星WMAPの観測に基づく推定より約1億年長いという。
  • 宇宙誕生の推定時期は2013年に、WMAPの観測に基づく約137億年前から、約137億年前(プランクの観測に基づく)から→約138億年(プランクの観測に基づく)に更新された。
  • ビッグバンの際に、超高温・高密度だった宇宙は膨張に伴って冷え、約38万年後に陽子と電子が結合して水素原子ができた。
  • その後、星や銀河ができはじめても、この時期は光が水素原子に吸収されて望遠鏡で観測できないため暗黒時代と呼ばれる。


3色の光で宇宙人をさがす
兵庫県立大学のチームは3色の光がお互いの信号を見つけるのに適していると報告。
3色は恒星の天体観測などに使われ、電波より多くの情報を送ることができる。兵庫県立大学天文科学線も人の鳴沢真也氏は「高度な文明があれば光でメッセージを送ってくるはず」を話す。

電波望遠鏡を使って宇宙から飛来する人工電波を探す「地球外知的生命探査(SETI)」は1960年から続いているが、今のところ成果は出ていない。

鳴沢さんらは、天文学者が光学望遠鏡で恒星の表面の元素を調べる際に手がかりとする3種類の波長の光に着目。
  • 濃い茶色(波長:3938.8ナノb)
  • 鮮やかな赤(波長:656.5ナノb)
  • オレンジ色(波長:589.1ナノb)









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