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観測結果-宇宙の進化

宇宙,宇宙論,宇宙定数,ダークマター,膨張 2001/1 2003/3

宇宙のページ

質問をどうぞ

宇宙新しい観測結果が出た　2003/2/11 NASA

宇宙背景輻射のゆらぎを従来よりさらに正確に、100万分の1の精度で観測した(WMAP)。

宇宙の年齢…137億年(誤差1%)

星が最初にできた…ビッグバン後2億年

宇宙は平坦である。すなわち、宇宙のエネルギー密度は、臨海密度と等しい。

ハッブル定数…71km/sec/Mpc (誤差5%)

宇宙背景輻射の偏光が観測された。これは、インフレーション理論の証拠になる。

 

今回の観測

2000年の観測

見える物質

4%

5%

dark matter

23%

30%

dark energy

73%

65%

 dark energy は重力と反対の力を及ぼす。宇宙の膨張スピードは一定ではなく、加速している。ただし、その力があっても、赤方偏位が0.1程度の距離(10億光年)の銀河では、その力の影響は観測されない。赤方偏位が1に近づく距離(60億光年)になると、その力の影響が観測にかかってくる。

dark energy があることがはっきりしたので、宇宙定数が0でない、宇宙の膨張は加速していることがはっきりしたことを意味する。

dark energy が何であるかはわかっていない。

4%の見える、普通の物質はどこにあるのか

普通の物質が4%だと言っても、今までの見つかっている物質は1%程度にすぎない。残りの3%は、どこにあるのか。

2003/2CfA発表
銀河と銀河の間に、10万度〜1000万度の、しかし希薄なため、かすかなX線しか放射しないガスが見つかった。我々の銀河団では、太陽の10^12倍の質量があるらしい。この質量があれば、重力でつなぎとめておき、銀河が散らばっているのを防ぐことができる。銀河が形成されていくときに残ってしまったものらしい。

この見つかったガスと、ダークマターとが、いっしょになって、銀河の形成に関係したらしい。

WMAP

WMAP のロケットは、2001年6月に打ち上げられた。NASAとPrinceton大学との共同研究。

宇宙の膨張スピードは速くなっているらしい　98/2/27 NASA

遠くの超新星の遠ざかるスピードを調べた。重力により、スピードは鈍るはずだと考えられてきたのだが、50〜70億年前より現在の方が速いことがわかった。重力・電磁気力・強い核力・弱い核力以外の、反発力を生む第5の力があるのかもしれない。第5の力は、アインシュタインの宇宙項に関係する力である。

dark matter

  1. hot dark matter
    big bang の1年後でも、光とほとんど同じ速さで動く粒子
    Neutrinos （質量があれば）
  2. cold dark matter
    ゆっくり動いていた粒子

hot dark matter だけだと、宇宙の大規模構造はできるが、銀河程度の大きさの構造物ができない。
cold dark matter だけだと、逆に、大きな構造ができない。
20% の hot dark matter と 80% の cold dark matter のモデルが最も適している。

宇宙背景輻射をさらに観測-宇宙は平坦だ 2000/4/26 NASA

1998年、南極大陸で、風船に観測機器を積み、高度36kmで、宇宙背景輻射を観測した。
(BOOMERANG - Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics)。

ゆらぎは、角度にして1度程度が、最も大きかった。これは、宇宙が平坦であるモデルとよく一致する。すなわち、Big Bang の前に、Inflation があり、宇宙を平坦にしたと考えられ、Infaltion Theory の証拠が１つ初めて見つかったことになる。宇宙が平坦であるということは、宇宙の密度が臨海密度と等しいことを意味する。

1. 見える物質   5%
2. dark matter  30%
3. dark energy  65%…ΩΛ

赤方変異の大きい超新星type1を観測した結果

上の灰色の線 Ωm=0.3,ΩΛ=0.7

  1. 宇宙定数が0.7 => 宇宙の真空エネルギーがある
  2. 見えない物質があり、普通の物質が3割になる
  3. 宇宙は平坦

真中の黒い線 Ωm=0.2,ΩΛ=0.0

  1. 宇宙定数が0 => 宇宙の真空エネルギーはない
  2. 見えない物質はあまりなく、臨界密度に足りない
  3. 宇宙はopen

下の赤い線 Ωm=1,ΩΛ=0

  1. 宇宙定数が0 => 宇宙の真空エネルギーはない
  2. 見えない物質が現在見える量よりも大量にあり、臨界密度を満たす。
  3. 宇宙は平坦

 

 いろいろな定数

density parameter Ω
Ω=((8πG)/(3H2c2))ρ
ただし、ρ=average energy density　　H=Hubble constant

Cosmological Constant lambda Λ
真空のエネルギー密度/臨界密度
Einsteinが導入した定数、時空を押し広げる力、真空のエネルギー密度
Λ=((8πG)/(3c2))ρ
ただし、G:Newton's constant　　c:the speed of light　　ρ:vacuum energy density

Λ=0 => sigma0 = q0

space flat => Ω=1
negatively => Ω<1
positively => Ω>1

Ω=Ωm+ΩΛ
ただし、Ωm=（matter による density parameter）
　　　　　ΩΛ=（Cosmological Constant による density parameter）

deceleration parameter q0
q0>0…膨張が遅くなっている  q0=0…一定の速さで膨張している  q0<0…膨張が速くなっている

k=3*sigma0 - q0 - 1

topology k
k=0…flat => omega + lambda = 1

Critical Value
 10-29 g/cm3

The Einstein-deSitter Universe
k=0(flat) and Λ=0(zero Cosmological Constant) => sigma0 = q0 = 0.5 , (宇宙年齢)*(Hubble Constant)=2/3
Hubble Constant=70 とすれば宇宙は100億年より若くなってしまう。

逆に

(宇宙年齢)=150億年、(Hubble Constant)=70 、k=0(flat) とすると
deceleration parameter q0 = -0.5 （膨張のスピードが増している）、Density Parameter sigma0 = 0.1 となる。

新しい問題

  • Ωmは宇宙の膨張にしたがって逆3乗に小さくなる。
    +ΩΛは宇宙の膨張にかかわらず一定である。
    現在の宇宙では ΩmとΩΛがあまり違わない。それは、なぜか。偶然の一致なのか？
  • 現在は、第2のインフレイションの時なのか？
  • 宇宙背景輻射に偏光はあるか？
  • 観測した密度が臨海密度より小さいのは、 dark energy が原因であるとする説の他に次のような説がある。
    我々がいる宇宙は、たくさんの泡の一つであって、我々はその泡の真ん中の方にいる。泡の境目の方が密度が大きく、真ん中は密度が小さい。