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★宇宙は無数にあるのか? その2

 「宇宙は“無”の状態から量子重力的効果によって生まれた。
この量子宇宙はインフレーションと呼ばれる急膨張をおこし、マクロな宇宙となった。インフレーションが終わるとき、宇宙は激しく熱せられて火の玉宇宙と なった。またインフレーション中に存在した量子揺らぎはインフレーションによって引き延ばされ、後に緩やかに成長し銀河団、銀河、星など宇宙の構造になる 種となった」

 これは1980年代に、旧来のガモフによるビッグバンモデルの欠陥を補強するために提唱されたインフレーション理論、量子 宇宙論によって強化された現代宇宙論のパラダイムである。インフレーション理論は未完ではあるが力の統一理論を宇宙初期に応用することで提唱されたもので した。

 当時、宇宙論の研究はその観測的実証の困難から、どうしても理論的研究が主導する分野でした。無からの創成やインフレーションは それぞれ宇宙開闢から10^-44秒(プランク時間)とか10^-36秒(大統一理論相転移時刻)に起こったとして提唱されたものであり、そのころに起 こった出来事が観測的に実証されることはないと考えるのは当然です。

 しかし、1980年代末から次第に宇宙論の研究は、観測主導の時代 に変わっていったのです。もちろん10^-44秒のプランク時間の観測ができるようになったのではなく、現在の宇宙時刻から電磁波で観測できる最も宇宙の 初期、宇宙開闢の約38万年後までの観測が爆発的に進むようになったのです。

 宇宙では遠くを観測すれば過去がどんどん見えてくるのです。光や電磁波を使って観測するとき、宇宙誕生から38万年以前の宇宙は高温でプラズマ状態にあり、光はプラズマの電子に散乱されるので、これ以前の初期宇宙は電磁波では写真をとることはできません。

  しかし、透過性の高い粒子や波を使えば、さらに宇宙初期の姿も描き出すことができる。たとえばニュートリノを使えば、宇宙の温度が100億度もある時刻1 秒の頃まで見える。ビッグバン宇宙でヘリウムなどの元素が核融合によって形成されるのはもっと温度が下がった、宇宙開闢から3分頃ですが、ニュートリノ望 遠鏡ができればこの元素合成の現場を観測できる。アインシュタインの相対性理論の予言する重力波を使えば原理的には、宇宙開闢の瞬間すら見えてくるはずで す。

1982年、米国NASAの宇宙背景放射観測衛星COBEによる、宇宙背景放射の揺らぎ、温度の方向によるムラの発見で宇宙が高温で不透明だった時期から 透明になった頃の宇宙の姿、開闢から38万年たったころの宇宙の姿を描き出した。そこにはインフレーション理論が予言していた宇宙構造の種、密度揺らぎが クリアに描き出されていたのである。

さらにCOBEの後継機、WMAP衛星が地球からのノイズを避け全天サーベイがしやすい場所、月軌道 より遠方のL2ポイントに打ち上げられた。WMAPは2003年に、COBEのほぼ30倍の細かさで地図を作り上げ、そのデータ解析によりさらにインフ レーションを裏付けた。このデータ解析の中で、宇宙の年齢が137億年であることを示し、宇宙の年齢もほぼ決まりました。

 2013年、欧州宇宙機関(ESA)によって打ち上げられたプランク衛星によって宇宙背景放射を偏光観測まで含め高感度・高分解能で観測した結果が発表され、インフレーション理論を裏付けました。それと同時に宇宙の年齢が138億年と変更されています。

 プランク衛星の目指すものは、単純な密度の揺らぎの観測のみではなく、実は些細な偏光観測をおこなうことです。インフレーションは宇宙の構造の種となる密度揺らぎだけではなく、時空のさざ波とも言うべき、重力波も生み出します。

 インフレーション理論が正しいのならば現在の宇宙には、それが引き延ばされ、波長が長い宇宙背景重力波が満ちているはずなのです。宇宙背景重力波があると、宇宙マイクロ波背景放射にはBモードと呼ばれる偏光パターンが現れます。

 プランク衛星はこれを観測でとらえることを目指しているのですが、残念ながら2013年のデータ解析では、Bモードに対して上限値を求めることしかできませんでした。しかし、2014年にはさらに精密なデータ解析の結果が発表されることになっています。

  この様な状況の中で、今年2014年の3月に天文衛星の観測ではなく南極の望遠鏡での観測として、BICEP2望遠鏡の観測結果についての発表がなされ、 初期宇宙の時空間の量子的な揺らぎを起源とする原始の重力波の存在を世界で初めて確認され、宇宙が誕生直後に急膨張(インフレーション)した証拠を初めて とらえました。

 BICEP2の観測から、このCMBにBモード偏光が見出されたことにより、インフレーション由来の原始重力波が時空をゆがめることにより生じるとされるBモード偏光パターンのデータの精査から間違いなく原始重力波を起源とするCMBの偏光を確認したのです。

 宇宙が誕生した瞬間、驚くほど強力な重力波が広がっていった事実が最新の研究によって明らかとなる「誕生直後に急膨張した」とする「宇宙インフレーション理論」を裏付ける決定的な証拠が、初めて観測されたことになります。

  Bモード観測の重要性は単にインフレーションを裏付けるというだけではなく、実はインフレーションがいかに起こったかを観測によって明らかにすることで す。佐藤やグースによって提唱された原初インフレーション理論はそのままでは天文的観測と矛盾したり、また、その根拠となった大統一理論が統一理論として は実験と矛盾したりすることがわかり、いろいろな改訂版が数多く発案されています。

 また、マイクロ波背景放射を経由してインフレーション起源の重力波を観測するということをしなくても、直接重力波をとらえることができるようなら、より直接的なインフレーションの証拠となり、またインフレーションがいかに起こったかの情報が直接得られるはずです。

 現在日本で、神岡鉱山の地下深くに宇宙からの重力波をとらえようとする大型冷却重力波望遠鏡、KAGRAの建設が進んでいて、これが完成すれば、連星が合体しブラックホールができるときに発生する重力波が観測されると期待されています。

 残念ながら、インフレーション起源の重力波はあまりにも波長が長くKAGRAでは検出できませんが、NASAやESAは人工惑星を3個打ち上げ、その間にレーザの光をやりとりする干渉計によってこの重力波をとらえる計画の検討を進めています。


sonokininatte55.blog.fc2.com/blog-entry-201.html
その木に成って55さんちから転載しました。

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2014年03月28日 | 宇宙 | トラックバック(0)件 |
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