光・電波・ニュートリノ・重力波などを組み合わせて宇宙を解明するマルチメッセンジャー天文学について紹介

1. ENJOY SCIENCE
マルチメッセンジャー天文学入門
2022/8/14
KOJI FUKUOKA

2. 留意事項
 あくまで発信日時での公開情報を中心とした内容であることに留意ください。
 所属企業ではなく、あくまで個人としての発信です。本情報に伴う結果に関して責任は
負いかねますのでご了承お願いいたします。
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3. 本シリーズ共通の趣旨：３つの謎の解明をカジュアルに楽しむ
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生命とは？
宇宙とは？
知能とは？
宇宙物理学
宇宙生物学
分子生物学
合成生物学
神経科学
コンピュータ科学
物理学
生物学
化学
生理学
数学
解きたい謎 関連する学問テーマ 学問テーマの大分類
【自己紹介】
IT企業でAIなど新技術を活用した
事業開発。
元々宇宙物理研究を志し、
今は１科学愛好家。

4. 参考：星の一生
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誕生
活動
（エネルギー放射）
エネルギー
枯渇
赤色巨星
超新星爆発
(super nova)
白色矮星
中性子星
質量大
ブラックホール
この発見が観測
の目的
かに星雲(1050年ごろ)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%81%8B%E3%81%AB%E6%98%9F%E9%9B%B2

5. 資料の構成
• マルチメッセンジャー天文学とは？
• 従来の範囲：電磁波
• 可視光線/赤外線
• 電波
• 新たな領域：ニュートリノ／重力波
• マルチメッセンジャー天文学の勃興
• まとめ
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6. マルチメッセンジャー天文学とは
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〇出所：すべての人の天文学
光だけでなく、多彩
な情報を基に宇宙を
解明する天文学
観測衛星
（ジェイムズ・ウェッブ
宇宙望遠鏡など）
地上望遠鏡
(すばる宇宙望遠鏡など)
重力波干渉計
(LIGO、VIRGOなど)
ニュートリノ検出器
(カミオカンデなど)

7. 従来の範囲：電磁気（特に可視光・赤外線・電波）
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8. 従来の範囲：可視光/赤外線：すばる望遠鏡の例
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すばる望遠鏡(ハワイ) 〇出所：Wiki「すばる望遠鏡」
https://subarutelescope.org/jp/results/2022/08/01/3077.html
https://sorae.info/astronomy/20220805-ross508.html
【赤色矮星「ロス508」を公転する太陽系
外惑星「ロス508 b」の模式図。緑色のリ
ングはハビタブルゾーンを示す
（Credit: アストロバイオロジーセンター）】

9. 従来の領域：電波：可視光では見えない情報を捕捉
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野辺山宇宙電波観測所(日本) 〇出所：NAOJ HP
https://prc.nao.ac.jp/freqras/wariate.html
Wiki「電波天文学」
電波は波長が長いために星間物質による散乱を受
けにくく、可視光では観測できない暗黒星雲の背
後などを観測することが可能。
1965年に二人の
技師が電波望遠
鏡で宇宙背景輻
射をたまたま発見
宇宙背景輻射（宇宙創成後 約37万年後の情報）

10. 従来の範囲：観測場所を地上から宇宙へ
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http://astro-dic.jp/
地球大気や携帯等の雑音がノイズ・・・

11. COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA
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〇出所：NASA JSWT公式HP
従来の範囲：最新のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

12. 従来の範囲：天体望遠鏡の解像度
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2018年時点で最高レベルの光学望遠鏡で見た
月面画像（テニスボール数百万個が入る）
観測する波長
望遠鏡のサイズ（アンテナとすると直径）
高い解像度≈
※近年は、光学補償やAIなど、得られ
たデータ解析技術の進展も

13. 従来の範囲：地球最大の電波天文観測プロジェクト
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http://www.mitsubishielectric.co.jp/me/dspace/column/c1909_1.html
https://www.nao.ac.jp/news/science/2019/20190410-eht.html
各地での計測結果を持ち
寄って、データ解析を駆使
（日本は観測でなくデータ
解析で貢献）
→人間の視力検査で、
300万に相当
M87星雲内にあるブラック
ホールの撮像

14. 新たな領域：ニュートリノ：発見の経緯
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参考：Wikipedia「素粒子の標準模型」
天文学辞典
https://astro-dic.jp/beta-decay/
素粒子の標準模型
ク
ォ
ー
ク
レ
プ
ト
ン
フェルミオン ボゾン
グルーオン
光子
ヒッグズ
物質を表す 相互作用(力)を表す
β崩壊：原子核内の陽子・中性子が入れ替わることで、
電子（β線）を放出する現象
未知の粒子
→ニュートリノを予言
未知の粒子(同上
の反粒子)
「
弱
い
力
」

15. 新たな領域：ニュートリノ：主な歴史とカミオカンデ
 ニュートリノの主な歴史
 1930年にパウリが提唱(名付け親はフェルミ)
 1956年に原子炉で初検出
 1970年代に太陽からのニュートリノを観測
 1987年に太陽系外からも観測(byカミオカンデ)
 2002年に小柴昌俊氏が上記功績でノーベル賞受賞
 1998年にニュートリノ振動を実証(byスーパーカミオカンデ)
 2017年に梶田隆章氏が上記功績でノーベル賞受賞
 2027年にハイパーカミオカンデ稼働予定
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参考：Wikipedia「小柴昌俊」「ニュートリノ」
カミオカンデ公式HP

16. 新たな領域：ニュートリノ天文学の目的
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参考：カミオカンデ公式HP

17. 新たな領域：ニュートリノは他にも重要なことを・・・
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参考：カミオカンデ公式HP
「ニュートリノ・重力波のことが一冊でまるごとわかる」
１．振動とは「質量を持つ」ことを意味し、
素粒子標準模型の仮定に反する
２．物質発生メカニズムの解明？
質量を持つニュートリノは、他の粒子と異なり左巻
き（粒子にはスピンという回転物量量が存在）しか
存在しない。
→宇宙初期にこの対称性が崩れて、それが他の粒子
（陽子・中性子）の物質発生に影響をあたえたので
はないか？
重力波の研究プロジェクトにも関与

18. 参考：一般相対性理論(1916)による重力が伝わるイメージ
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時空の歪みで星の光もゆがむ（重力レンズ）
重力とは時空の歪みの度合い
時空の歪み（＋宇宙定数）＝物質の質量(エネルギー)
一般相対性理論（別名 重力）方程式の意味合い
以前の回
を再掲

19. 参考：一般相対性理論が予言する重力波
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時空の歪みは極めて微弱。
太陽と地球の間にある水
素原子の変化を検知する
レベル
【干渉計の原理】
別々の方向に光速（一
定）を同距離往復させる
と、空間のゆがみが発生
すると（＝距離の差）で
到着タイミングが微妙に
異なる
→干渉縞として記録
重力波を観測するレーダー干渉計のイメージ
〇重力波とは何か？
https://gigazine.net/news/20160215-gravitational-waves-explained/
以前の回
を再掲

20. 史上初観測した重力波はブラックホールの衝突だった
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〇ブラックホールの衝突による重力波と閃光を観測…今後は日本の｢KAGRA｣も貢献(2020/7)
https://www.businessinsider.jp/post-215625
電磁波（光・電
波・X線）の観測
では見通せない
重力波天文学の
幕開け
以前の回
を再掲

21. マルチメッセンジャー天文学の勃興：383年ぶりの超新星「SN1987」
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ハッブル宇宙望遠鏡から撮影した超新星
爆発SN1987A
〇NASA HP
https://esahubble.org/images/ann1111a/
「マルチメッセンジャー天文学がとらえた新しい宇宙の姿」
https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/news/detail/401/
(チリの
可視光望遠鏡)
(ニュージーランド)(オーストラリア)
(日本)
オーストラリアでとらえた超新星爆
発前(右)と後(左)の比較図
超新星爆発を伝えたFAX
（上）と、それに基づき発見
したピーク（左）
→３月7日に論文を発表

22. マルチメッセンジャー天文学の勃興：SN1987Aで分かったこと
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X線（左上）・可視光（左上右）・電波（左下）での
SN1987Aを複合的に解釈して、超新星爆発の構造と
形成の過程が徐々に解明（下）
https://www.astroarts.co.jp/news/2005/08/24sn1987a/index-j.shtml
https://alma-telescope.jp/assets/uploads/2020/07/20200730_SN1987A.jpg

23. マルチメッセンジャー天文学の勃興：南極の観測所ICECUBE
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http://www.icehap.chiba-u.jp/icecube/multimessenger.html
2017年にIceCubeがニュートリノを検知し（2016年からリアルタイムに全世界へ報告）、
ジェットを放出するブレーザー天体TXS0506+056の可視光・ガンマ線放射を計測
→40億光年先にある天体（より広い探査が可能に）

24. マルチメッセンジャー天文学の勃興：GW170817
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2017年に検出された重力波をきっかけに多波長帯域でも確認(右はすばる望遠鏡による映像)
(LIGO,
VIRGO)
複数の重力波望遠鏡で検知→方角がより正確に特定
→それを基に数十の多波長帯域観測所で計測
→中性子星の合体現象と分かり、以下のことに貢献
(フェルミ,
インテグラル衛星)
• ガンマ線到着誤差から重力波が光の速さにほぼ等しい
（＝一般相対性理論は正しい）
• 宇宙膨張率のより正確な値(従来は仮説の数珠繋ぎ方式)
• 重元素が生成される起源
今後の多様な望遠鏡計画に
よって発展が期待
〇「マルチメッセンジャー天文学がとらえた新しい宇宙の姿」
https://www.youtube.com/watch?v=99HxonZjoBs

25. 今後期待されている新分野での望遠鏡計画
 ニュートリノ系
 ハイパーカミオカンデ（スケールアップ）
 IceCube Gen2（南極の氷を利用）
 KM3NET(地中海の水を利用)
 重力波系
 LISA（宇宙望遠鏡タイプ）
 DECIGO（日本）
 アインシュタイン
 SKA
 LiteBIRD
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LISAのイメージ図
Wiki:「宇通重力波望遠鏡」
衛星間距離
250万km

26. まとめ
 16世紀から可視光線（目視）を中心に、宇宙の研究はすすめられてきましたが、20世
紀になると赤外線・電波などの周辺領域に広がります。
 ロケット・衛星技術の発展で、20世紀末からハッブルに代表される宇宙望遠鏡の時代に
突入し、（大気が邪魔しない）より精細な情報が得られています。
 21世紀以降は、電磁波より透過性の高いニュートリノと重力波を加えて観測所同士が
連携する多領域での観測で、宇宙や物質の解明が進むと期待されています。
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