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天文学概論(第14回)



   全体のまとめ
∼太陽系から宇宙論まで∼


  東京工業大学 佐々木貴教
最終レポート

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❖   提出:1/20(水)∼1/27(水)@教務課レポートBOX

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本講義で扱ったテーマ

❖   星・惑星形成(藤原)

❖   太陽系(佐々木)

❖   系外惑星(佐々木)

❖   銀河系・近傍銀河(加藤)

❖   宇宙論と距離測定(高梨)

❖   重力レンズ・観測装置(内海)
本講義で扱ったテーマ

❖   星・惑星形成(藤原)

❖   太陽系(佐々木)

❖   系外惑星(佐々木)

❖   銀河系・近傍銀河(加藤)

❖   宇宙論と距離測定(高梨)

❖   重力レンズ・観測装置(内海)
星形成
星の材料:宇宙に漂うガス(星間分子雲)

(1)星間分子雲の収縮とコアの形成
                    星形成の
(2)原始星の形成と成長
                     3段階
(3)主系列星への進化


・数10個∼数100個の星が同時に生まれること
 が多い(星雲・星団)
・軽い星ほど多く生まれる
星間分子雲の収縮とコア形成
星間分子雲中の密度が濃い部分が自己重力で収縮
 → 分子雲コアの形成

 典型的な分子雲コア
水素分子密度:104 cm-3
温度:10 K
サイズ:0.05光年
質量:太陽質量の10倍
収縮の時間:105-106年
原始星の形成と成長
・分子雲コア中心部の密度が1011cm-3を超える
  → 原始星の誕生
・原始星の周囲に原始星円盤が形成
・円盤から原始星にガスが降り積もる
・原始星円盤から垂直方向に
 双極分子流が吹き出す
・約106年でガス降着終了
 原始星の質量が決まる
主系列星への進化
原始星は107年かけて収縮、内部温度が上がる
 → 水素燃焼が起こる温度(1.5 107 K)に到達
 → 一人前の恒星(主系列星)になる




  HR図
 横軸:温度
 縦軸:輝度
惑星形成
原始惑星円盤内:塵 → 微惑星 → 原始惑星 → 惑星

                 原始惑星系円盤


                 微惑星の形成


                 微惑星の合体成長

       地球型惑星形成


            木星型惑星形成


                   巨大氷惑星形成
                    ©Newton Press
原始惑星系円盤
   なぜ円盤状になるか?
             分子雲コアの収縮
!  分子雲が収縮すると、「角運動量保存の原
   理」に従い、収縮するほど回転が速くなる
               重力と遠心力のつりあい
            原子惑星系円盤が形成
!  回転の効果が効いて、平たい円盤状の構造
 になる




  分子雲コア         原始惑星系円盤
微惑星の合体成長
              数kmサイズの
              微惑星が形成
                 ↓
             互いに衝突・合体
             を繰り返し成長


暴走成長により
少数の微惑星が急成長
     ↓
  火星サイズの
  原始惑星が形成
ジャイアントインパクト




原始惑星同士の巨大天体衝突を繰り返し, 現在の惑星へ
巨大ガス惑星の形成




原始惑星に円盤ガスが暴走的に流入 → ガス惑星へ
本講義で扱ったテーマ

❖   星・惑星形成(藤原)

❖   太陽系(佐々木)

❖   系外惑星(佐々木)

❖   銀河系・近傍銀河(加藤)

❖   宇宙論と距離測定(高梨)

❖   重力レンズ・観測装置(内海)
太陽系の構成メンバー




地球型惑星
  水星
  金星     巨大ガス惑星   巨大氷惑星
  地球        木星      天王星
  火星        土星      海王星
地球型惑星の内部構造

                 固体の内核
                 液体の外核




                      コア?



水星     金星   地球    月         火星

     地殻
     マントル
     コア
巨大ガス惑星・氷惑星の内部構造
                   地球




 木星    土星     天王星       海王星
水素分子    水素・ヘリウム・メタンガス

金属水素    マントル(水・アンモニア・メタン氷)

        コア(岩石・氷)
各天体の軌道




              短周期彗星の巣
隕石の母天体
さらに遠くまで広がる太陽系
       天文単位(AU)
       太陽から地球までの距離
       (約1億5000万km)




       「オールトの雲」




            =
        長周期彗星の巣
本講義で扱ったテーマ

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❖   宇宙論と距離測定(高梨)

❖   重力レンズ・観測装置(内海)
1995年 初めての系外惑星発見!
                              1995年!



51 Pegasi b




                                     46


              発見者:
              M. Mayor & D. Queloz
太陽系外惑星が続々と見つかる

  2010年1月15日現在
  すでに400個を超える!

  太陽系とは全く姿の異なる
  異形の惑星たち!
系外惑星の検出方法
   名称         方法         特徴


アストロメトリ法 恒星の位置のずれ 地上からは難しい

 視線速度法                これまでで最も
           恒星の動きの速さ
(ドップラー法)              多数の惑星を発見
            惑星による      軌道半径が
トランジット法
             恒星の食     小さいことが必要
           惑星重力による     検出確率小、
 重力レンズ法
            空間の歪み     軌道半径1~3AU
視線速度法
恒星が観測者に近づいたり
遠ざかったりする
 → ドップラー効果によって
   星の色が周期的に変化
 → 恒星の速度の変化を観測

惑星質量の下限値のみが決定

中心星に近く質量の大きい惑星
ほど発見しやすい(選択効果)
トランジット法
惑星が恒星の前を通過する際に明るさが変化する
 → 周期的な明るさの変化(恒星食)を観測
惑星の正確な質量が求まる & 大気成分が検出可能




惑星が恒星のちょうど前面を通過する確率は低い
理論的に予想される惑星の多様性
                             巨大ガス惑星

              Hot Jupiter
 惑星の質量 [ME]



                                      巨大氷惑星


                            地球型惑星




                             軌道長半径 [AU]
様々な Habitable Planet (Satellite)




                       d
本講義で扱ったテーマ

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銀河系(天の川銀河)
太陽系が所属する銀河:2 1011太陽質量
多波長観測により銀河系の構造が明らかになってきた
銀河系の基本構造
        ハロー
ー       直径:15万光年
        構造:球状
        ディスク(円盤)
        直径:10万光年
        構造:パンケーキ状
        バルジ
        直径:1.5万光年
        構造:ラグビーボール状
ハロー
古い世代の天体が球状に分布(直径15万光年)
銀河系の質量のほとんどはハローに存在

   ハローの特徴
古い星(>120億年)が分布
多くの球状星団が存在
ディスクと関係なく公転
星間物質がほとんどない
大量のダークマターが存在
ディスク(円盤)
現在進行形の星形成の現場(直径10万光年)
渦巻構造(渦状腕)に沿って星形成が起きている
                   渦巻き構造があ
                銀河系を上から見た図                    中
                                              (宇
   ディスクの特徴                                    波
                    太陽                        電
パンケーキ状の構造
                                              渦
全ての若い星・天体が分布                                  ‥
                                              (O
重元素の比が高い
中性水素原子・分子も存在        中心
(=星形成の材料物質)
                      Nakanishi et al. 2004


                          キロパーセク
バルジ・銀河中心
観測からバー(棒)構造の存在が確実視
 → 銀河系は渦巻銀河ではなく棒渦巻銀河である

銀河中心に太陽の400万倍の質量が高密度で存在
 → 中心にブラックホールが存在!
       銀河系:まとめ
           構造
           ・ハロー: 古い天体
           ・ディスク: 若い天体
            ・渦状腕
           ・バルジ
            ・「バー」
           ・中心にブラックホール

           多波長観測で
           最近明らかになってきた


           ‥まだまだ分かって
            いないことも多い
局所銀河群
太陽系が所属する銀河系が所属する銀河群
総数:約50個(今後も新たに発見される可能性大)

   代表的なメンバー

銀河系(天の川銀河)
M31(アンドロメダ銀河)
大マゼラン雲・小マゼラン雲
いて座矮小銀河
おおいぬ座矮小銀河 etc.
局所銀河群の生い立ち
       局所銀河群の生い立ち




  (a) 約100億年前:原始銀河系と原始アンドロメダ銀河が近接衝突、
(a) 100億年前:原始銀河系と原始アンドロメダ銀河
      それをきっかけに多くの矮小銀河ができる
        が近接衝突、多くの矮小銀河が形成
  (b) 約50億年前:宇宙膨張とともに両銀河は離れていく。
      矮小銀河はその周辺にまき散らされる
(b) 50億年前:宇宙膨張とともに両銀河は離れていく
  (c) 現在:銀河系とアンドロメダ銀河は重力によって引き戻され、
(c) 現在:両銀河は重力によって再び近づきつつある
      再び近づきつつある        将来は衝突するのか?
銀河は衝突・合体している!




予想:30億年後に銀河系とアンドロメダ銀河が再衝突
本講義で扱ったテーマ

❖   星・惑星形成(藤原)

❖   太陽系(佐々木)

❖   系外惑星(佐々木)

❖   銀河系・近傍銀河(加藤)

❖   宇宙論と距離測定(高梨)

❖   重力レンズ・観測装置(内海)
宇宙創生のシナリオ

       宇宙の再電離

       最初の星の誕生

        宇宙の中性化
       (晴れ上がり)

        最初の3分間
        (元素合成)

       無からの誕生
一般相対論的宇宙モデル
アインシュタイン方程式

        1
 Rµν   − Rgµν + Λgµν = 8πGTµν
        2
   時空の歪み        宇宙項    物質の分布

 主要な宇宙論パラメータ
                       宇宙の時空間
ハッブル定数 密度パラメータ        (年齢や曲率)
減速係数 曲率係数 宇宙項         についての情報
距離の梯子
            年周視差
            H-R図
            セファイド型変光星
            超新星
            T-F関係・F-J関係




順番に遠い距離まで
物差しを伸ばす
Ia型超新星
距離の梯子として非常に便利な天体

(1) とても明るい!
 → 遠くにあっても見える
(2) どれもそっくり!
 → 明るさから距離がわかる
(3) 今も昔も一緒!
 → 遠く(昔)の距離も測れる
(4) 性質がわかっている!
                   非常にレアな現象
 → 安心して利用できる
                   1個/銀河/100年
本講義で扱ったテーマ

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❖   重力レンズ・観測装置(内海)
重力レンズ
相対性理論:時空は物質(エネルギー)の存在で歪む
 → 光は時空に沿って直進するため曲がって見える
重力レンズを用いた探査例
銀河団による重力レンズ効果(銀河団の質量)を観測
 → 銀河団には大量のダークマターが存在
系外惑星による重力マイクロレンズの効果を観測
 → 非常に質量の小さな系外惑星を検出
代表的な天体観測システム
(1) 天文台:
 国立天文台(三鷹・岡山・野辺山・水沢・ハワイ)

(2) 望遠鏡:
 すばる望遠鏡(口径8.2m)

(3) 観測・探査衛星:
 ひので・あかり・すざく・かぐや・はやぶさ

      観測から得られる情報
空間構造・波長(エネルギー)・偏光・時間変動
すばる望遠鏡の観測装置
可視光から赤外まで幅広い波長域を観測可能
撮像観測と分光観測の両方が可能
多波長天文学




いろいろな波長を用いて天体の情報を引き出す
参考図書
最終レポート
❖   全講義の中から最も興味を持ったテーマを一つ選び、
    自分なりにまとめる

❖   A4用紙(枚数や形式は問わない)

❖   提出:1/20(水)∼1/27(水)@教務課レポートBOX

❖   所属学科・学年・学籍番号・氏名を明記

❖   1/31に成績を確定させるので、何かある場合はそれまでに

❖   連絡先:takanori@geo.titech.ac.jp
    講義資料:http://sasakitakanori.com

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