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ガンマ線バーストの想像図

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研究紹介

私の研究分野と研究スタイル

過去に報道発表した研究

分野ごとの詳しい研究紹介 
  1. 観測的宇宙論 〜ダークマターとダークエネルギー〜
  2. 銀河の形成と進化
  3. 宇宙最大の爆発・ガンマ線バースト、そして謎の天体・高速電波バースト
  4. 超新星爆発とニュートリノ宇宙物理
  5. 高エネルギー現象,ガンマ線,宇宙線

 


私の研究分野と研究スタイル

私の専門分野は宇宙物理学または天文学の(主として)理論的研究です。「宇宙物理学」と「天文学」は、現在ではほぼ同義語と言えます。(東大では「天文学教室」ですが、京都大学では「宇宙物理学教室」だったりします。)歴史的には天文学のほうがはるかに古いですが、現代の天文学の目的は宇宙における様々な現象を自然科学、特に物理学の力で解明し理解することですので、宇宙物理学と同じになるわけです。以下では単に宇宙物理学と呼びます。

宇宙物理学は、その対象が惑星から星、銀河、さらには宇宙全体まできわめて多岐にわたる分野です。従って宇宙物理学の中でも細分化が進んでいますが、私は比較的広い分野で研究を行っています。これまでの研究分野で言えば、宇宙論、銀河や銀河団の形成進化、超新星やガンマ線バースト、活動銀河中心核などの爆発的現象や高エネルギー現象などが挙げられます。また、観測との関連で言えば、電波から光赤外、X線、ガンマ線に渡る様々な波長の電磁波や、宇宙線やニュートリノといった素粒子観測とも密接に関連した理論研究を行ってきました。

理論研究といっても様々なスタイルがありますが、私の場合、一貫しているのは「最新の観測データに密接に関連した理論研究を行う」という点です。第一原理から出発した純粋理論研究や大規模な数値シミュレーションも大切ですが、私の場合はむしろ最新の観測データが提起する新たな謎を、理論アイデアや比較的現象論的なモデルで解釈したり、あるいは理論予言に基づく新しい観測を観測家と一緒に提案して実行したりという研究が主になっています。アイデアが本当に新しければ紙と鉛筆で行ったオーダー評価だけで論文を書いたりすることもありますし、比較的精密なモデルを作って観測データと詳細に比較することで新しい知見を得る研究もします。

私の信念は、理論と観測(または実験)が車の両輪のようにかみあって初めて科学は発展するというものです。宇宙物理学は現在も最新観測データが続々と生み出されて、理論と絡みながら発展し続けている大変魅力的な分野です。

 

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過去に報道発表した研究

「すばる、宇宙を見通す --- 宇宙の果てまでの銀河光の90%を個々の銀河としてとらえる」(国立天文台報道発表、平成13年4月30日)

「超巨大ブラックホールの隠された活動性」(日本天文学会平成17年春期年会報道発表)

「ガンマ線バーストで探る初期宇宙〜宇宙は誕生後9億年で電離していた」(京都大学平成18年5月19日報道発表)

「すばる望遠鏡、最遠方の超新星を続々発見」(国立天文台、平成23年10月3日報道発表)

「史上最遠方の宇宙立体地図が完成、ダークエネルギーの謎に迫る研究が進行中」(国立天文台、平成25年8月7日報道発表)

Newly Discovered Fast Radio Bursts May be Colliding Neutron Stars (高速電波バーストと呼ばれる未知の変動天体が、連星中性子星合体という私の仮説が UNIVERSE TODAY という英文ニュースサイトで紹介されました。平成25年8月)

原始宇宙の中性水素ガスの兆候を発見 〜宇宙誕生後10億年頃のガンマ線バーストから (東京大学大学院理学系研究科、平成26年5月)
Science誌のニュース欄の記事はこちら

すばる望遠鏡が解明、本当に50億光年の彼方からやってきていた‐謎の天体・高速電波バースト‐(東京大学大学院理学系研究科、平成28年2月)

130億光年彼方での一般相対性理論の検証~アインシュタインは間違っていなかった?~(東京大学KavliIPMU, 平成28年5月)

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1. 宇宙論 (宇宙モデルの決定、暗黒物質と暗黒エネルギーの起源)

宇宙論と言っても、天文・宇宙物理学的なアプローチから素粒子論的なアプローチまで様々な研究が行われていますが、私が行っているのは主に天文観測データに基づいて宇宙の物質構成や宇宙の歴史、暗黒物質や暗黒エネルギーなどの謎に迫る研究です。この分野は世界中で最新の宇宙観測プロジェクトによる豊富な新データが生み出され、ホットな議論が続いています。現在、観測的に直接探ることができる最も初期の宇宙は、宇宙マイクロ波背景放射として観測される宇宙誕生後約40万年の時代です。間接的には宇宙の元素組成から、誕生後数分のビッグバン元素合成の時代まで探ることができます。それより昔の時代は観測データがありませんので、素粒子物理学の理論的観点から様々な議論が行われていますが、観測や実験による検証は容易ではありません。

宇宙論における最も重要な目的の一つは、精密観測に基づいて宇宙の幾何学的構造や物質構成、そして歴史を解明することでしょう。それには様々な手法がありますが、私はこれまでに銀河の個数密度に基づく方法や Ia 型超新星を標準光源とした幾何学テストに関する研究を行ってきました。

様々な観測から決定された、現在標準となっている平坦なΛCDM宇宙モデルは実に奇妙な宇宙です。宇宙の質量(エネルギー)密度のうち、およそ70%が宇宙定数Λに起因する真空のエネルギーであり、25%が暗黒物質(重力を通じてその存在が知られているが正体は全く不明の物質)で占められています。我々の良く知っている物質(原子核などの「バリオン」)はわずか数%にすぎません。


宇宙の物質構成

特にこの宇宙定数Λは、物理的には真空のエネルギーと解釈されますが、その存在は全くの謎で、現代宇宙論最大の難問です。Λの必要性は、宇宙の膨張が減速から加速に転じているという観測事実によるものです。(通常物質だけの宇宙では、宇宙膨張は常に減速します。)これがΛや、あるいはΛに似た未知のエネルギー形態の存在を示しているのか、あるいは、そもそも宇宙論の基礎になっている一般相対性理論が破れているのか、などの様々な可能性が検討されています。我々はこの問題に観測的に迫るため、すばる望遠鏡の戦略枠プログラムとしてFastSoundプロジェクトを遂行しました。これは、赤方偏移1を越える遠方宇宙で初めて大規模な銀河の三次元マップ(報道発表)を描き出し、宇宙大規模構造の成長を精密に測定することで、宇宙論的なスケールでの一般相対論の検証を行ったものです。もし、加速膨張の起源が一般相対性理論の破れならば、我々の観測から一般相対性理論のずれが見つかるかもしれない...そんな目論見で行ったプロジェクトですが、残念ながら(?)銀河の運動は一般相対論の予言通りでした。宇宙膨張を加速させるのは宇宙定数Λで良いという示唆を与える結果となりました(報道発表)。


FastSoundプロジェクトで得られた、100億光年以上の遠方宇宙の銀河三次元地図

一方、暗黒物質の起源として最有力とされているのは素粒子理論が予言する超対称性粒子ニュートラリーノです。ニュートラリーノは対消滅してガンマ線などの高エネルギー粒子を放出すると予言されており、その粒子を銀河系中心などの高密度領域から検出できれば、暗黒物質の問題が解決される可能性があります。私はこれまでに、ニュートラリーノ対消滅が銀河団ガスを加熱する可能性や、宇宙全体を満たす宇宙ガンマ線背景放射への寄与などについての研究を行ってきました。


暗黒物質の自己重力による宇宙における構造形成 (credit: MPA, Germany)

 

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2. 銀河の形成と進化

誕生直後は一様でほとんど密度ムラのなかった宇宙から、現在の銀河や銀河団、大規模構造にみられる豊かな構造がどのようにして形成されてきたのかは宇宙論や銀河天文学の大きなテーマの一つです。ビッグバン宇宙においては,遠方を見ることは過去を見ることであり,遠方銀河の観測から初期の銀河形成の様子を知ることができます。私は銀河などが宇宙論的な視点でどのようにできてきたのか、理論モデルとハッブル望遠鏡やすばる望遠鏡などの観測データを比較しながら理解を深めていく銀河形成論に関しても研究しています。例えば、2000年当時、近赤外線で世界最高深度を達成した「すばるディープフィールド」の解析から、銀河から放出されて宇宙を満たす背景放射として観測されるべき光の量を求めました。これと、実際に夜空に淡く広がった放射として観測される宇宙背景放射と比較したところ、観測される背景放射強度は銀河からの光で説明できるものより多く、宇宙が謎の光(初代の星から?)に満ちている可能性を示しました(報道発表参照)。


すばるディープフィールド (credit: 国立天文台) 撮像当時、近赤外線でみた宇宙の最も深いイメージであった。


すばるディープフィールドにおける銀河計数(銀河の数を明るさの関数としてプロットしたもの)。曲線は私たちが作った理論モデルで、観測データを非常によく再現できる。ここから、宇宙の構造や銀河の形成進化の情報が得られる。(Totani et al. 2001, ApJ, 559, 592)

銀河の形成進化を理解するうえで重要な指標に「宇宙の星形成史」という概念があります。宇宙全体で平均した大局的な星形成率(星形成のスピード)が宇宙史とともにどのように進化してきたか、というものです。私は、超新星起源のニュートリノ宇宙背景放射、ガンマ線バースト、遠方の超新星の発生頻度などの多角的な視点から、この星形成史の解明のための研究に取り組んできました。このほかにも、最遠方の銀河種族として知られるライマンα輝線銀河の宇宙論的な進化モデルを構築し、すばる望遠鏡の最新データと比較することでその物理的性質に迫るといった研究も行いました。

 

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3. 宇宙最大の爆発・ガンマ線バースト、そして謎の天体・高速電波バースト

ガンマ線バースト (gamma-ray bursts, GRB) とは数秒から数十秒の間,突然バースト的にガンマ線が放出される現象で,1970年頃に発見されました.長い間、謎の現象とされていましたが,ようやく1997年になって可視光残光に赤方変移(z=1程度)が発見され,宇宙論的な遠方で起きている巨大な爆発現象(明るさでは宇宙最大)であることが判明しました.特殊な超新星爆発との相関も見つかっており,巨大エネルギーの超新星に付随するジェット(噴水のように物質が高速で放出されること)による現象という見方が確立しつつあります。


ガンマ線バーストの想像図。この絵のより詳しい解説はこちら

私は,GRB が宇宙論的現象であると判明する直前の1997年,もし宇宙論的遠方の現象ならば,GRBは大質量星の生成と死に密接に関連しているため,GRB の明るさ分布の統計的研究から宇宙の大局的な星形成史や銀河の進化史を探ることができることを示しました。現在,GRB のデータを用いて宇宙初期の星形成活動を探るという研究が広く行われていますが、この論文はそのアイデアを世界で最初に示したもので、Nature 誌上に掲載された1997年の GRB の国際会議の 総合報告では,"The single most important theoretical idea in the conference" という評価を頂いています (B. Paczynski & C. Kouveliotou, Nature, 389, 548 (1997)).

さらに、GRBを用いた初期宇宙の探求は星形成史だけにとどまりません。特に重要なのは、「宇宙再電離」に対する応用です。誕生直後の宇宙は高温のためプラズマ状態(電離状態)ですが、誕生後数十万年で温度低下により中性状態になったことがわかっています。しかし、現在の宇宙は再び電離状態にあり、宇宙誕生後10億年ごろに誕生した最初の星々により「再電離」が起きたと考えられますが、まだよくわかっていません。我々は、平成17年9月に発生したGRB 050904について、すばる望遠鏡の観測で光学スペクトルを取得し、当時としては最遠方のGRBであることを明らかにしました。さらに、この光学スペクトルの詳細な理論解析により、宇宙が誕生後9億年ですでに電離されていたことを初めて明らかにしました。GRBによって初期宇宙の物理状態についての情報が初めて得られた、画期的事件でした(報道発表)。さらに、平成25年6月に発生したGRB 130606Aでもやはりすばる望遠鏡のスペクトルを解析した結果、宇宙が再電離する前にまだ残っている銀河間中性水素ガスの兆候を捉えました(報道発表)。


GRB050904の可視残光のイメージとスペクトル

このほかにも、GRBにおける高エネルギー粒子の加速現象や、それに伴うガンマ線や超高エネルギー宇宙線の生成についての理論研究も行ってきました。

かつて謎の天体と呼ばれたGRBも、1990〜2000年代の大きな進展で、かなりのことがわかってきました。その一方で近年、新たな謎の天体として脚光を浴びているのが高速電波バースト(Fast Radio Bursts, FRBs)です。わずか1ミリ秒という、ガンマ線バーストよりさらにずっと短時間で、電波だけで光る謎の現象が報告され、2013年ごろから天文現象として本格的な研究が始まりました。その電波の解析から、赤方偏移1程度の宇宙論的な遠方から到来していると予想されていますが、正確な距離やその起源天体はまだほとんど謎に包まれています。このような新たな謎に挑戦する研究が一番面白いと言えるでしょう。私はこのFRBが、連星中性子星の合体の際に発生するという説を提唱しています(英文紹介記事)。また、すばる望遠鏡によるFRB追観測チームの代表として観測的研究も展開しています。2015年4月に発生したFRBについては、すばる望遠鏡の観測データが活躍して、初めてその母銀河らしい50億光年彼方の天体を同定し、Natureに報告されました(報道発表)。 これが本当にFRBの母銀河なのか、まだ論争が続いていますが、FRBの研究はまさにこれから大きく発展していくことは間違いありません。


FRB 150418 の母銀河の可能性のある天体を発見したすばる望遠鏡の画像データ

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4. 超新星爆発とニュートリノ宇宙物理

超新星爆発は大きく二つの種類に分かれ,白色矮星が核反応エネルギーで爆発する核燃焼暴走型 (type Ia) と,太陽よりずっと重い星がその一生の最後に重力崩壊して爆発し,中性子星やブラックホールを残す重力崩壊型 (Ib, Ic, II 型)があります.重力崩壊型超新星は解放される1053 erg (太陽が1年間に放出するエネルギーのおよそ10兆倍)という膨大なエネルギーのほとんどをニュートリノで放出します.(爆発で放出される物質の運動エネルギーはその100分の1程度にすぎず、可視光などの電磁波で放出されるエネルギーはさらに小さい。) 大マゼラン星雲で起きた超新星1987Aでは神岡鉱山のカミオカンデで初めて11個のニュートリノが検出され、小柴昌俊氏にノーベル物理学賞が授与されたことは有名です.


大マゼラン雲に出現した超新星1987A。宇宙物理学、素粒子物理学に革命的進展をもたらした。

現在稼働中のスーパーカミオカンデはカミオカンデの30倍の大きさを誇り,我々の銀河系で超新星が起きれば,数千発のニュートリノの検出が予想されます。私は,そのデータから何をどこまで解明できるかを,現実的なシミュレーションを行いつつ詳しく調べ、まだ未解明の超新星爆発機構や,電子ニュートリノ質量に関して重要な情報を得られることを示しました。この研究は超新星ニュートリノとその検出可能性に関する基本的な研究としてよく引用されています.


我々の住む銀河系で超新星爆発が発生した場合に予想されるスーパー神岡実験でのニュートリノ検出のシミュレーション。数千のニュートリノが検出されると期待され、ニュートリノ物理や超新星爆発のメカニズムの解明のために貴重な情報を与えると期待される。(Totani et al. 1998, ApJ 496, 216)

一方、Ia型超新星については、白色矮星を含む連星で起きると言うことは確立していますが、どのような連星がIa型超新星につながるのか、その母天体はまだよくわかっていません。よく議論されている二つのシナリオに、白色矮星と恒星(主系列星や赤色巨星)の連星を考える single degenerate scenario と、白色矮星同士の連星を考える double degenerate scenario があります。この二つを見分ける観測的な決め手はまだ不足していますが、一つのアプローチとして、連星系が生まれてからIa型超新星に至るまでの遅延時間分布があります。我々はすばる望遠鏡を使って最遠方のIa型超新星を数多く見つけ(報道発表)、それらの母銀河の星種族を調べ上げることで、この遅延時間分布がtの-1乗のベキ則でよく説明できることを示しました。観測的に遅延時間分布の関数形を得た初めてのケースで、この関数形は double degenerate scenario の予言とよく合います。この遅延時間分布は、2つのシナリオの区別だけで無く、Ia型超新星が生み出す鉄などの重元素によって宇宙の化学組成がどう進化してきたか、という研究にも重要です。我々が提唱したベキ則はその後の諸外国の研究でも追認され、世界的な標準モデルになっています。


すばる望遠鏡で発見された8つの遠方のIa型超新星。左がカラーイメージ、真ん中がiバンドでのカラー等高線図、右が変動成分だけ抜き出したもの(母銀河が消えて超新星だけが見えています)

 

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5. 高エネルギー現象,ガンマ線,宇宙線

MeV以上の光子はガンマ線と呼ばれ、MeVからGeV領域は衛星で、TeV領域は地上のチェレンコフ望遠鏡で天体観測が行われています。高エネルギーであるガンマ線による天文学によって、宇宙における様々な粒子加速や高エネルギー現象が研究されています。特に、GeV領域では現在はフェルミ衛星が活躍していますが、その領域で観測される主要な天体の一つに、ブレーザーと呼ばれる活動銀河中心核(Active Galactic Nuclei, AGN)の一種があります。我々はこのブレーザーの数密度の宇宙論的な進化モデルをフェルミ衛星が打ち上がる直前に構築し、フェルミ衛星のデータによく合うことが示されました。AGNの心臓である超大質量ブラックホールやそこから生み出されるジェットの宇宙論的進化に示唆を与えるもので、現在、ブレーザーの進化モデルの標準的なものとしてよく引用されます。そのほかにも、星形成銀河からのガンマ線や、我々の銀河系で観測される511keV電子陽電子対消滅線の起源、暗黒物質の対消滅によるガンマ線などについても研究を行ってきました。次世代のガンマ線観測としては、世界で一つの巨大な TeV 領域の地上ガンマ線望遠鏡を作るという Cerenkov Telescope Array (CTA) 計画において、日本チームの主要メンバーとして活動しています。


フェルミガンマ線宇宙望遠鏡で見たGeVガンマ線の全天マップ。中心が銀河系中心方向で、宇宙線起源のガンマ線が銀河円盤上に沿って見える。(credit: Fermi Gamma-Ray Space Telescope)

 

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