宇宙理論研究室では、相対性理論が関係する天体であるブラックホールや中性子星で起きる様々な動的な現象の解明や宇宙全体の起源とその進化を解明の研究を行っています。例えば、その関係する密度は地上ものに比べ、何桁も違っています。太陽や惑星ほどそれほど身近でない研究対象ですが、それら極限的世界を知ることで森羅万象の関係がより明らかになると考えます。

ここでは宇宙理論グループが取り組む研究課題と個々のメンバーの具体的な内容を紹介します。

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宇宙と重力

重力(=万有引力)は大きな尺度では大変重要で、天体の構造や運動を支配するものとなります。非常に強まればブラックホールも形成されます。また、宇宙の運動も重力理論とそこに存在する構成物で決定されます。アインシュタインの一般相対性理論では時空の曲りとして重力を表します。図のように、ものがない場合は平坦な時空(左)であったのが、物体の重みで曲ります(中央)。さらに、物体が変動すると、その変動を伝える波である重力波が生じます(右図)。

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相対論的天体

08_1208_small ブラックホールや中性子星などの天体では重力が強く、それを記述するのに一般相対性理論が必要になります。多くの天体では時間変動を見ることはほとんどなく、静的な状態です。また、これらの天体の数は例えば、夜空に普通に見られる星(恒星)の数に比べ、はるかに少ないです。一方、X線など光に特徴がある場合や、突然に輝くので知覚されます。これら相対論的天体はコンパクトで変動したなら、非常に短時間に莫大なエネルギーを放出する現象となることがしばしばあります。電磁波以外の形として、ニュートリノや重力波として外部へエネルギーが運ばれることもあります。ある中性子星で起こるフレアから内部構造まで知ることができることを図に模式的に表しました。星の内部の変動が外部の磁気圏(黄緑色の線は磁力線)を変動させ、X線やガンマ線の放出につながると考えらえています。このように観測から、強重力や高密度の状態を探るのに理論研究は不可欠です。

宇宙論

07_1208_small宇宙論では「宇宙がどのように始まり、進化してきたか」を研究します。銀河の大規模構造や宇宙背景放射から初期揺らぎと進化の情報を取り出すことがきます。それから分かってきたのは、図に示すようにインフレーションによって宇宙が始まり、そこで生み出される量子揺らぎが構造の起源となったという理論と観測が良く合うこと、また現在の宇宙が加速膨張していることなど新しい謎も浮かび上がってきました。精密な観測と理論予言の比較によって、インフレーション宇宙のより正確な描像やダークエネルギーと呼ばれる宇宙の加速膨張の起源を探る多様な研究が進められています。例えば、加速膨張を予言する重力理論の探求と検証研究もその一つです。

極限宇宙と宇宙物理学

観測された現象を理論的に解明するとともに、より根本的な問題まで迫ります。例えば、インフレーション宇宙で生成される初期揺らぎは量子力学原理に従って予言されます。インフレーション宇宙が予想されるエネルギースケールは1016GeVにもなりえるので、観測的宇宙論によるインフレーション宇宙の検証は、1016GeVの世界での量子力学原理の検証にも繋がるのです。このように宇宙物理学は実験室での再現が難しい現象を取り扱うため、物理原理に基づいた理論予言と天文観測を比較することによって進展する学問です。

グループメンバーの紹介

小嶌 康史 教授

小嶌 康史 教授

相対論的天体(ブラックホールや中性子星)では重力が強く非常にコンパクトで、短時間に莫大なエネルギーの解放を伴います。このようなことが起きるのは稀ですが、大変明るいため遠方でも発見されます。理論的な大筋は確立しているものの、未解決の問題がいくつも残されています。研究課題の一つであるパルサーの磁気圏構造があります。大量の自転エネルギーが電磁気学的に外部に運ばれて、粒子の運動エネルギーに変換されるのですが、その転換過程を研究しています。また、磁場が通常のものよりはるかに強いマグネターという天体があり、そこで起こる突発的フレア現象の機構の解明やブラックホールの存在をより確実にする理論的証拠を模索しています。また、これまでの観測は電磁気学的過程を通じた光を通じての観測でしたが、極めて激しい動的過程では重力の変動を伝える重力波も放出されます。岐阜県神岡に現在建設中の重力波天文台KAGRAの理論グループに参加し、数年以内(2017年頃)に重力波を直接捉えられるのを楽しみにしています。


山本 一博 准教授

山本 一博 准教授

宇宙の始まりにはインフレーションと呼ばれる加速膨張があり、また現在は新たな加速膨張の時代に入っていると考えられています。引力という 馴染みのある重力の性質と加速膨張は正反対の性質で面白いので、それらの理論と検証に興味をもって研究をしています。インフレーション宇宙の量子揺らぎから生み出される宇宙の大規模構造は、宇宙の始まりから成り立ちまでを探る面白い研究テーマです。沢山の大規模観測の進展によって精密科学としての側面も持つ宇宙の研究のフロンティアです。


イラスト作成:有限会社 AND You