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量子物理学ノート:2

宇宙からのメッセージ

上図：出典：click 国際ジェミニ天文台３景雪に覆われたマウナケアの頂上の空に描かれたオンブレ色はすべて、レイリー散乱と呼ばれる現象によって自然に引き起こされます。日が進み太陽が地平線に達すると、可視光は大気中の、より密度の高い物質を通過する必要があります。これにより、より長い波長つまりより赤い光で光が散乱します。この散乱は、地球上で誰もが見ることができる見事にカラフルな景色を作り出します。右端のジェミニ・ノース (NSFのNOIRLabが運営する、国際ジェミニ天文台の半分)は鮮やかな夕日を背景に山頂にあり、他のいくつかの天文台と並んでいす。以下の２景も時間・季節を変えて同天文台群を紹介するものです。

 下図：出典：click 約11,000年前に爆発した大質量星の残骸,NSF国立光赤外線天文学研究所,画像は上記の天文台提供。この色とりどりのガスフィラメントの網は、約11,000年前に爆発した大質量星の残骸で膨張する星雲であるヴェラ超新星残骸です。約800光年離れたヴェラ星座(帆)に位置するこの星雲は、地球に最も近い超新星残骸の1つです。名前のない星は何千年も前にその生涯を終えましたが、その死がもたらした衝撃波は、光るガスの蔓を運んで、今でも星間物質に伝播しています。

上図：出典：clickエウロパで起こった多重リング盆地を形成する天体衝突の想像図衝突シミュレーションで探る氷衛星エウロパの構造直接測ることが難しい天体の内側の構造を、天体衝突によって刻まれた地形から探ることができます。探査機で撮影された地形とコンピュータによる天体衝突シミュレーションによって、木星の衛星エウロパの表 面を覆う氷の厚さと、その構造が明らかになりました。エウロパは木星の衛星の一つであり、その表面が氷で覆われた氷殻となっています。氷殻の下には、液体の水でできた「内部海」があると考えられていて、生命が存在する可能性が高いと注目されています。この海での生命居住の可能性を考える上で、氷殻表面の物質と内部海の物質とがどのように循環しているのか、また、彗星（すいせい）のような突発的な外部由来物質が、氷殻を通して内部海に供給される可能性があるのか、などを理解する必要があります。これには、氷殻の厚さが重要な鍵となりますが、その厚さは直接計測できないため、クレーターなどの観測から得られる情報を用いて間接的に求めた氷殻の厚さについて議論が続いています。これまではエウロパの表面にある小さなクレーターなどから、氷殻の厚さが見積もられてきました。しかし、氷殻が薄い場合と、厚い氷殻が硬い層ともろい層で構成されている場合とを区別することができないという問題点がありました。これに対し、パデュー大学（米国）の脇田茂（わきた しげる）研究員が率いる研究チームは、これまでの探査機で見つかった「多重リング盆地」と呼ばれる同心円状の構造を示す大きなクレーターに着目しました。この多重リング盆地の形成は氷殻の構造に強い影響を受けるため、その形成過程を解明することで氷殻の厚さに制限をつけられると考えたのです。

下図：出典：click かつて太陽は連星だった!?国立天文台 太陽系外惑星探査プロジェクト室　田村元秀520光年先のへびつかい座SR24星のもの.円盤から円盤に物質が流れている様子.今まで見えなかったんですけれども、画像として観測することで初めて捉えられた.連星系での原始惑星系円盤の出来方に魅了される。なんと3つもの円盤ができることが、実際の観察でもシミュレーションでも示されている。それぞれの星の周囲にできる円盤がひとつずつ、そして、連星系のまわりを取り巻く大きな円盤がひとつ。

上図：出典：clickリンは新星爆発が生み出した必須元素の起源に迫る地球型生命に必須な元素の一つであるリンが、太陽系が誕生する前の時期に多かったタイプの新星爆発から生み出された可能性が、指摘されました。地球での生命誕生の謎を解く鍵となることが期待されます。ビッグバン直後の宇宙に存在する元素は、原子量が小さな水素とヘリウムだけでした。その後、恒星の内部で起こる核融合反応や、重い恒星が引き起こす超新星爆発といった激しい現象で合成された原子量の大きな元素が、宇宙にまき散らされました。それらの元素が惑星を作る材料になり、さらにはそこで誕生する生命の材料となったのです。地球型生命に欠かせない必須元素の一つに、DNAやRNAにも含まれる重要な元素「リン」があります。ただ、太陽系内に存在するリンの量を、超新星爆発による合成量だけで説明するのは難しく、どのようにしてリンが生成されるのかは明らかになっていませんでした。

下図：出典：click　M51:チャンドラがX線で輝く銀河を捉える。M51の新しいチャンドラ画像には、約100万秒の観測時間が含まれています。このデータから、「渦巻き銀河」と呼ばれる銀河の中に何百もの点状のX線源があることが明らかになりました。これらの点源のほとんどは、太陽のような恒星の周りを回る中性子星またはブラックホールのいずれかを持つX線連星系です。合成画像は、チャンドラからのX線(紫)とハッブルからの光学データ(赤、緑、青)で構成されています。NASのチャンドラX線天文台で約100万秒の観測を行った結果、天の川銀河に似た渦巻銀河が何百ものX線点で輝いていることが明らかになりました。この銀河は、正式にはメシエ51(M51)またはNGC 5194と名付けられていますが、しばしば「渦巻き銀河」というニックネームで呼ばれています。天の川銀河のように、渦巻きは星と塵の壮大な腕を持つ渦巻銀河です。M51は地球から約3000万光年離れた位置にあり、地球を向いていると、渦巻銀河の故郷では決して得られない視点が得られます。チャンドラを使うことで天文学者は渦潮を覗き込み、X線でしか検出できないものを発見することができます。この新しい合成画像では、チャラのデータが紫色で示されています。ハッブル宇宙望遠鏡の光学データは、赤、緑、青です。　

上図：出典：click　地球外での L体アミノ酸過剰生成機構概略図銀河中心から円偏光化されたライマンアルファ線（図①、黄色線）が放射されることで、ダスト粒子上のアミノ酸前駆体（アミノニトリル）は選択的光分解反応を起こし、D体に比べてL体が増加する（図②、＊はキラル中心の炭素原子）。ダスト粒子が集積し、小惑星となり温度が上昇すると、アミノニトリル前駆体はキラリティを保ったままアミノ酸に加水分解される（図③）。小惑星間の衝突により、軌道が変わり、地球に落下した小天体（隕石）中にアミノ酸が保存されていることで、原始地球にL体過剰のアミノ酸がもたらされる（図④。

下図： 出典：click　国立天文台のニュース　新潟大学の下西 隆（しもにし たかし）研究准教授を中心とする研究チームアルマ望遠鏡による観測から、天の川銀河（銀河系）の中心から約6.2万光年の距離にある星形成領域最も外側の領域にこれまで知られていなかった原始星（赤ちゃん星）が発見されました。さらにこの星を、水や複雑な有機分子を含む化学的に豊かな分子ガスが取り巻いていることも明らかにしました。この領域には天の川銀河が形成された頃の環境が残されていると考えられることから、この星を、水や複雑な有機分子などを含む化学的に非常に豊かな分子ガスが取り巻いていることが明らかです。今回の発見は宇宙史を通した星・惑星の材料となる物質の化学的な多様性の理解に大きく貢献すると期待されます。

上図：出典：clikc　COBAND実験は，宇宙背景放射と同様に宇宙初期に生成され，宇宙空間に一様に存在すると予言されている「宇宙背景ニュートリノ」の崩壊探索を行う。標準宇宙理論では，宇宙背景ニュートリノは図1の宇宙図に示されるように，ビッグバンの１秒後に自由になり，現在の宇宙空間に1.9Kの温度で一様に1cm3あたり110個存在する。これは宇宙背景放射光子の温度と密度に近いが，自由になった時刻については，宇宙背景放射はビッグバンの30万年後なので，それにに比べてはるかに早い。宇宙背景放射はビッグバン宇宙初期を研究するために重要な役割を果たしているが，宇宙背景ニュートリノを発見することによって宇宙背景で理解できる時期よりもはるかに極初期の宇宙を研究する新しいプローブを得ることになり，大きく宇宙物理学を発展させることが期待される。

下図・出典：clikc

上図：出典：click　M51のULX:何百万もの太陽の光で輝く。天文学者たちは、チャンドラのデータを用いて、超高光度X線源(ULX)に中性子星が含まれていることを突き止めた。このULXは、渦巻き銀河としても知られるM51に位置しています。ULXは、1980年代に天文学者によって初めて発見された非常に明るいX線源です。この新しい結果は、ULXがX線でどのように明るく輝くのかについての手がかりを提供するのに役立ちます。1980年代科学者たちは銀河の中に非常に明るいX線源という新しいクラスのものを発見し始めました。これらの天体は、銀河の中心にある超大質量ブラックホールから明らかに離れた場所にあったため、驚きでした。当初、研究者たちは、これらの超高光度X線源(ULX)の多くは、太陽の約10万倍から10万倍の質量を持つブラックホールであると考えていました。その後の研究で、そのうちのいくつかは太陽の数十倍もの質量を持つ恒星質量のブラックホールである可能性が示されました。2014年、NASAのNuSTAR(核分光望遠鏡アレイ)とチャンドラX線天文台による観測により、数百万個の太陽の全波長で全出力に等しいX線光で輝くいくつかのULXは、中性子星と呼ばれるさらに質量の小さい天体であることが示されました。これらは、爆発した大質量星の燃え尽きたコアです。中性子星の質量は太陽の約1.5倍です。このようなULXは、ここ数年で3個が中性子星として同定されました。科学者たちは、ULXからのX線放射に規則的な変動、つまり「脈動」があることを発見しましたが、これは中性子星では見られますが、ブラックホールでは見られません。今回、NASAのチャンドラX線天文台のデータを用いた研究者らは、4つ目のULXが中性子星であることを突き止め、これらの天体がどのようにしてこれほど明るく輝くのかについて、新たな手がかりを発見しました。新たに特徴づけられたULXは、M51としても知られる渦巻き銀河に位置しています。この渦巻きの合成画像には、チャンドラからのX線(紫)とハッブル宇宙望遠鏡からの光学データ(赤、緑、青)が含まれています。ULXには丸印が付いています。中性子星は非常に密度の高い天体で、ティースプーン1杯で10億トン以上の重さがあり、山と同じくらいの重さがあります。

 下図：出典：click： 中性子星の謎と原子核物理学　核物理懇談会ホームページ　超新星残骸とその中心にある中性子星の観測例。性子星は、Ｘ線の画像で見るとよく見える。かに星雲では、Ｘ線画像は可視光画像とまったく異なっており、渦を巻いた構造の中心に中性子星があることが分かる。中性子星は、宇宙に浮かぶ巨大原子核です。物質は原子からできていますが、原子の質量の99.97%は、その中心部にある小さな原子核が担っています。原子核のサイズは原子のサイズのわずか1万分の一なので、もし原子核の周りの広大な空間を回っている電子を取り払って原子核だけを集めることができれば物質の密度は1万の3乗、1兆倍となります。そんなことは人工的にはできませんが、重力の力でそれがなされてできたのが中性子星です。太陽の8倍以上の質量をもつ大きな恒星は、進化の果てに超新星爆発を起こし、その中心部では物質が極限まで圧縮されてブラックホールか中性子星ができます。図１は、超新星爆発の残骸とその中心にある中性子星の写真です。中性子星は多数見つかっていて、観測で測られた質量と半径から計算すると、中性子星中心部の密度は、普通の原子核の密度よりもさらに何倍か大きいことが分かっています。原子核は陽子と中性子でできていますが、電荷のある陽子は互いにクーロン力で反発するので、ウランのように大きな原子核は分裂して壊れます。巨大な中性子星は、全体で電荷が中性のニュートリノに変化して飛び去ります。小柴昌俊先生は、1987年の超新星爆発の際に大量のニュートリノが発生することを観測で実証し、ノーベル賞を受賞しました
 

上図：出典：click　超新星残骸とその中心にある中性子星の観測例。中性子星は、Ｘ線の画像で見るとよく見える。かに星雲では、Ｘ線画像は可視光画像とまったく異なっており、渦を巻いた構造の中心に中性子星があることが分かる。中性子星は、宇宙に浮かぶ巨大原子核です。物質は原子からできていますが、原子の質量99.97%は、その中心部にある小さな原子核が担っています。原子核のサイズは原子のサイズのわずか1万分の一なので、もし原子核の周りの広大な空間を回っている電子を取り払って原子核だけを集めることができれば、物質の密度は1万の3乗、1兆倍となります。そんなことは人工的にはできませんが、重力の力でそれがなされてできたのが中性子星です。太陽の8倍以上の質量をもつ大きな恒星は、進化の果てに超新星爆発を起こし、その中心部では物質が極限まで圧縮されてブラックホールか中性子星ができます。図１は、超新星爆発の残骸とその中心にある中性子星の写真です。中性子星は多数見つかっていて、観測で測られた質量と半径から計算すると、中性子星中心部の密度は、普通の原子核の密度よりもさらに何倍か大きいことが分かっています。原子核は陽子と中性子でできていますが、電荷のある陽子は互いにクーロン力で反発するので、ウランのように大きな原子核は分裂して壊れます。巨大な中性子星は、全体で電荷が中性になっています。超新星爆発の際、星の中心部では陽子は正電荷を電子に与えて中性子に変わり、電子は中性のニュートリノに変化して飛び去ります小柴昌俊先生は、1987年の超新星爆発の際に大量のニュートリノが発生することを観測で実証し、ノーベル賞を受賞しました。

下図：出典：click　NGC 6543:惑星状星雲ギャラリー惑星状星雲太陽のような恒星が赤色巨星になり、その外層を脱ぎ捨てたときに生じます。この4つの惑星状星雲のギャラリーは、チャンドラのX線データを紫色で、ハッブル宇宙望遠鏡の光学データを赤、緑、青で示しています。チャンドラ星で見られる拡散X線放射は、恒星の高温の残骸からの風が放出された大気と衝突する衝撃波によって引き起こされます。4つの惑星状星雲は、すべて地球から5000光年以内の位置にあります。このギャラリーでは、NASAのチャンドラX線天文台で行われた太陽近傍の天体の最初の体系的な調査から得られた4つの惑星状星雲を展示しています。ここに示されている惑星状星雲は、キャッツアイとしても知られるNGC 6543、NGC 7662、NGC 7009、NGC 6826です。いずれの場合も、チャンドラからのX線放射は紫色で、ハッブル宇宙望遠鏡からの発光は赤、緑、青に着色されています。 新しい論文として発表されたこの調査の最初の部分では、地球から約5000光年以内に21個の惑星状星雲が観測されました。

上図/下図：出典：click 明るく輝く 太陽のコロナループ　米国航空宇宙局（NASA）の太陽観測衛星（SDO）が撮影した太陽の極紫外線画像。色は、異なる光の波長を識別するためにNASAによって付けられている。磁気活動の活発な領域の間に発生するコロナ・ループ（環状のガスの流れ）は明るく輝き、磁場に浮かぶフィラメント（プラズマの塊）は温度が低くい。

上図：出典：click 宇宙嵐の発達時には地球起源のプラズマが内部磁気圏の主成分となっている宇宙嵐の進展に伴い、ジオスペースに流入するプラズマの起源が太陽風から電離圏に切り替わることを観測。地球周辺の宇宙空間をジオスペースと呼びます。ジオスペースには、希薄ながらもイオンや電子などの荷電粒子（プラズマ）が存在しています。このイオンや電子は、太陽からやってくる太陽風と呼ばれるプラズマの状態に応じて、増えたり減ったりしています。そして、大きく増えると、ジオスペースは「宇宙嵐（スペースストーム）」と呼ばれる状態になり、イオンや電子の増加に伴って激しく活動するオーロラがいろいろな場所で見えたり、高度 100kmほどの電離層領域に強い電流が流れるなどします。特に強い宇宙嵐の場合には、人工衛星の機能障害、測位精度の低下、さらには地上での停電など、私たちの日常生活にも影響が及びます。このため、宇宙を安全に利用するためにも宇宙嵐の理解は重要であり、宇宙天気研究としても精力的に研究されています。宇宙嵐は、太陽風プラズマが地球磁場の勢力範囲（磁気圏）に入りこむことによって発生・発達すると考えられてきました。一方、地球の超高層大気（電離圏）にもプラズマが存在しており、水素イオンや酸素イオンが宇宙空間へと流出することが知られています。しかし、太陽風起源のプラズマと地球起源のプラズマを区別することは難しいため、地球起源のプラズマが宇宙嵐に及ぼす影響はわかっていませんでした。

下図：出典：click 国際連携観測で宇宙の電磁波が地上に伝る“通り道”を可視化することに成功ー松田 昇也・金沢大学理工研究域ー惑星磁気圏で自然発生する電磁波（電場・磁場の振動）は、空間を満たすプラズマ（電子・イオン）との電磁気的作用によって、宇宙の環境変動をコントロールする重要な役割を担っています。それらは,宇宙空間のある場所で生まれ、非常に長い距離を伝わり、遥か遠くの場所で観測されることがあります。電磁波による宇宙の環境変動を正しく理解するためには、広い宇宙空間を波がどのように伝わっていくかを三次元的に知ることが重要ですが、従来の科学衛星1機による観測では実現が困難でした。本研究では、ジオスペース*1探査衛星「あらせ」や米国の 科学衛星「Van Allen Probes*2」で同時計測された電磁波のデータなどを用いて、宇宙の電磁波が発生する領域を明らかにしたとともに、目には見えない“電磁波の通り道”の存在を世界で初めて突き止め、電磁波が地上へと伝わる仕組みを解明しました。

上図：出典:click 果てしない宇宙の謎にせまる　宇宙航空研究開発機構（JAXA） 星が誕生する現場を明らかに　「あかり」は星が生まれる現場をとらえました。質の大きな星は、最後に死ぬときに超新星爆発を起こしたり、また吹き出すガスや強烈な紫外線によって、その周りの星間ガスを吹き払って空洞をつくります。空洞の周囲にかたまったガスは圧縮されて濃度が濃く、そこで新しい星が生まれます。質量の重い星が誕生すると、それがまたガスを吹き払って周りに掃き寄せ、そこから星ができます。このように連鎖反応が起きて、星の誕生と死は繰り返されます。天の川にあるはくちょう座には、赤外線で輝く明るい領域があります。この領域では、太陽系から3000～10000光年程度の範囲にある天体が重なって見えています。数多く見られる明るく輝いている天体は、大質量の星が生まれている場所です。「あかり」の画像を見ると、大きく空になったような暗い部分が見えます。これは、高温の星団が成長し、強い光で周囲のガスと塵を吹き払ったものです。ここでもきっと将来新しい星が誕生するのだと思います。オリオン座周辺でも、掃き寄せられた星間ガスの分布や、星が生まれた場所、または生まれつつあるようすをとらえました。ひときわ明るく輝いている場所では、大量の星が生まれ続けていて、その星の光で温められた塵が強い赤外線を放っています。オリオン座周辺の広い領域を赤外線でこれほど詳しく観測したのは「あかり」が初めてです。このように、「あかり」は、星が活発に誕生するさまざまな場所をとらえました。

 上図：出典：click 星間分子雲中の物質が収縮することにより星とその周囲に惑星が誕生します。生命発生に関する仮説として、分子雲中に含まれていた生命材料物質の一部は彗星や隕石によって運搬されて惑星に積もり、さらに複雑な化学進化を経て最初の生命に至ったという考えが唱えられています。

下図：出典：click 宇宙の生命素材物質（アミノ酸やその前段階物質等）から、タンパク質やDNA、単細胞生物、多細胞生物を経て私達（ヒト）までが繋がっていることをイメージした図。