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現代物理は、ビッグバンの際、一体何が起こったのかを記述できておらず、量子論と相対性理論は、果てしなく密度が高く高温の原初の宇宙を描くことに、ほぼ失敗していると言ってよい。

最新の研究によると、これらの2つの基本的な柱(量子論と相対性理論)を統合する物理学である「量子重力理論」だけが、この宇宙がどのように始まったのかについての洞察を提供できるという。(※量子重力とは、重力の力を量子力学の法則にしたがって記述しようとする物理理論)

独・マックス・プランク重力物理研究所の研究者とカナダのペリメーター理論物理学研究所が量子重力理論に関する重要な発見をした。

彼らの理論によると、空間には小さな構成要素が存在するという。小さな構成要素からスタートすると、宇宙論の基本的な方程式の1つであり、宇宙を記述する「フリードマン方程式」にたどり着くというのだ。つまり、量子力学と相対性理論の統合が本当に可能だということを示しているわけである。

ほぼ1世紀もの間、これら2つの主要な物理学理論は共存してきたわけだが、アインシュタインの一般相対性理論がマクロな世界を記述する一方で、量子論は原子や素粒子の世界を記述しており、互いに相容れてこなかった。

両理論は、それぞれの境界内においては、ひじょうによく機能する。しかしながら、究極の領域であり、ひじょうに小さな距離である、いわゆる「プランクスケール(10のマイナス38乗)」となると、両理論は崩壊する。さらに、ブラックホール内、ましてや、ビッグバンにおいては、空間と時間はもはや意味を持たない。

アルバート・アインシュタイン研究所(AEI)のDaniele Oriti氏は、そのことを流体を使って説明している「わたしたちは、流れる水のふるまいを古典的で長年知られてきた流体力学の理論を使って説明できます。しかし、さらにスケールを小さく、さらに小さくすると個々の原子に行き当たります。すると、流体力学の理論を当てはめることはできなくなるのです。そこで、必要になるのが量子力学です」。

液体が原子から構成されているように、Oriti氏は、空間も小さな構成要素である細胞のような「空間の原子」とでもいえるものからできていると想像している。空間の原子を記述するには、「量子重力」が必要となる。

アインシュタインの相対性理論において空間は連続している。しかし、Oriti氏は、その空間を「空間の原子」まはた細胞と呼べるような基本的な構成要素にまでばらばらにし、量子物理学の法則に当てはめたのである。

量子重力へのアプローチにおいては、空間の原子から宇宙の次元の間にある巨大な次元スケールを埋めることが基本的な問題となる。

しかし、そここそ、Oriti氏とその同僚であるLorenzo SindoniおよびAEIの元博士後研究員で、現在ペリメーター研究所研究員であるSteffen Gielen氏が成功した点なのだ。

彼らのアプローチは、いわゆる「グループ・フィールド理論」に基づいている。これは、彼らがしばらくの間開発してきた「ループ量子重力」と密接な関係を持っている(※ループ量子重力理論とは: 時空(時間と空間)にそれ以上の分割不可能な最小単位が存在することを記述する理論。重力の古典論である一般相対性理論を量子化した量子重力理論の候補)。

次なる課題となるのは、宇宙が空間の原子と呼べるような基本的な単位から、どのように進化してきたかを記述することである。

流体のたとえに話を戻そう。果たして、原子に対応した理論から、流れる水の流体力学をどのように引き出すことができるのか?それは、ひじょうに困難な数学的作業だが、Orisi氏らは驚くべき成功を収めたのだ。

空間が原子のような構成要素から成り、それが膨張して今あるような宇宙のように進化するという特殊な仮定のもと「私たちは、初めて完全な空間構造を表す理論の一部として、直接フリードマン方程式を引き出すことができました」Orisi氏は話している。

膨張する宇宙を記述する基本的な方程式である「フリードマン方程式」は、ロシアの数学者アレクサンダー・フリードマンが1920年に一般相対性理論に基づいて導きだしたものだ。それが今日になって、やっとミクロとマクロの世界の間、つまり一般相対性理論と量子論との間にあるギャップが埋まったことになる。

Orsti氏らによる研究では、「空間の原子」(または細胞)とも言えるものが縮合物となって、わたしたちの住む宇宙と似た宇宙に発展することが示されたという。

Orti氏らは自身について、困難ながら前途有望なスタート地点に立っていると考えている。というのも、彼らの導き出した答えは、均一な宇宙にしかあてはまらない。実際の宇宙は、均一どころか、惑星や星、銀河などが存在しており、もっと複雑だ。そこで、研究グループでは、それらを考慮に入れた研究にすでに着手しているからだ。

一方で、また彼らは、ビッグバン時の空間も記述できるかについて研究したいと考えている。

数年前、元AEIの研究者Martin Bojowaldが、(ビッグバン時まで時空をさかのぼれる)「ループ量子重力論」の単純化バージョンの一部の証拠を発見している。Oriti氏らは、彼らの研究成果と合わせることで、その成果を確認または発展させたい意向だ。

もしも、それが成功し理論が確立されれば、ビッグバン直後の宇宙のインフレーション膨張や、なぞに満ちたダークエネルギーの性質を理解するのに役立つことだろう。

Sindoni氏は、「量子重力論と手に入れたとき、宇宙の進化について本当に理解できるようになるでしょう」と話す。

NEWS SOURCE: MAX PLANK GESELLSCHAFT - "Quantum steps towards the Big Bang"
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赤色矮星とは、わたしたちの太陽に比べて温度も低く、大きさは3分の1程度、明るさは1千分の1しかないかすかな天体だ。そのため、1つとして地球から肉眼で見える赤色矮星はない。

そのようなかすかな存在であるにもかかわらず、赤色矮星は、地球のような惑星探しに適しているいえるようだ。まず、天の川銀河には少なくとも750億個の星が存在しているのだが、そのうち4分の3が赤色矮星であり、その数が豊富だからである。

次に、惑星が恒星の前を横切ると影ができ、その際みかけ上一時的に恒星が減光する。このような現象を使うと惑星を発見することができる(トランジット法)のだが、赤色矮星は、太陽のような星に比べて小さいため、減光の割合が大きくなるわけだ。さらに、ハビタブル・ゾーン(惑星の表面で液体の水が存在できる領域)に存在している惑星なら、赤色矮星により近いところを回っているはずであり、地球から見てトランジットをより起こしやすいといえる。

ハーバード・スミソニアン天文物理学センターのCourtney Dressing氏は、15万8千個もの恒星が記載されているケプラー・カタログから、ターゲットとなる赤色矮星を選び出した。そして、より正確にその大きさと温度を計算しなおした。その結果、ほとんどすべてが、これまで考えられていたよりも、温度が低く、より小さいことがわかった。赤色矮星の大きさは、トランジットの際に惑星が恒星面にどれほどの影をつくるかによってわかる。赤色矮星を絞りこめば、惑星も絞りこむことができる。そして、より低温の星のまわりであれば、より生命に適したハビタブル・ゾーンが存在すると考えられる。

Dressing氏らは、赤色矮星のまわりを回る95の惑星候補を選び出した。そのうち、赤色矮星の少なくとも60パーセントのまわりに、海王星より小さな惑星が存在する可能性が示唆された。しかしながら、温度やサイズが地球とは異なっていた。結局、全候補のうち、3つが温暖で、ほぼ地球サイズであった。つまり、統計的には、全赤色矮星の約6パーセントのまわりに地球のような惑星が存在することが示されたことになる。

「わたしたちは、天の川銀河内においてもっともありふれた星のまわりにおける、地球のような(生命を育める可能性のある)惑星の発生割合を明らかにしたのです。この割合は、これまでわたしたちが考えていた以上に地球外生命を探すのは、簡単かも知れないということを示しています。」(ハーバード・スミソニアン天文物理学センターのDavid Charbonneau氏 )

太陽にもっとも近い星の75パーセントは赤色矮星だ。その約6パーセントのハビタブル・ゾーンに惑星が存在するはずなのだ。そうなると、たった13光年の距離に、もっとも近い地球のような星が存在するかもしれないことになる。

「わたしたちは、地球サイズの惑星を発見しようと、遠距離をターゲットにしてきたわけですが、もう1つの地球は、もしかしたらわたしたちのすぐ近くに存在しているかもしれないということがわかったのです」(Dressing氏)

そのような惑星は地球とは異なる環境を持つと思われる。赤色矮星の近くを公転しているために、公転周期と自転周期が一致していて、惑星はいつも同じ方向を赤色矮星に向けているはずだ。しかしだからといって、それが生命の誕生を不可能にするわけではない。じゅうぶんに厚い大気と深い海洋があれば、惑星全体に熱を対流させることできるはずだからだ。また、若い赤色矮星が強い紫外線フレアを放射する一方で、惑星の表面に存在する生命は大気によって守られるだろう。しかしながら実際ストレスというものによって、進化が進むこともある。その点についてDressing氏は「クローンのように、まるで地球にそっくりである必要はないのです」と語る。

なお、赤色矮星は太陽のような星より長生きである。このことはひじょうに興味深い。なぜなら、そのまわりに存在する生命も長生きであれば、地球上の生命より進化している可能性があるからだ。ハーバード・スミソニアン天文物理学センターののDavid Charbonneau氏は「100億歳の地球のような惑星を発見できるかもしれないということです」と話している。

ただし、そのような惑星を観測するには、専用の宇宙望遠鏡か、地上に設置された望遠鏡の巨大ネットワークが必要となる。さらに惑星の大気などの詳細は、巨大マゼラン望遠鏡やNASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による観測を待たねばならない。

なお、Dressing氏らの研究で明らかになった3つの惑星候補は、地球から300~600光年の距離にあり、表面温度が摂氏3150度から3260度の間にある赤色矮星のまわりを回っている。それぞれの大きさと公転周期は以下の通りだ。

KOI 1422.02:大きさが地球の0.9倍、公転周期は20日

KOI 2626.01:大きさが地球の1.4倍、公転周期は38日

KOI854.01:大きさが地球の1.7倍、公転周期は56日


NEWS RELEASE SOURCE:
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics - "Earth-like Planets Are Right Next Door"

NASA Kepler - "Kepler Data Suggest Earth-size Planets May Be Next Door"
米国東部時間2月15日午後2:24(日本時間2月16日午前4時24分)に、地球近傍小惑星「2012 DA14」が、地球から約2万7700kmの距離にまで接近する。 その距離は、気象・通信衛星などが位置する静止軌道(地球から3万5800km)よりも内側だ。

NASAの地球近傍天体追跡局は、得られている観測結果をもとに、正確に小惑星の軌道を計算することができるのだが、その結果から、地球への衝突の危険はないことがすでにわかっている。

しかし、研究者にとっては、地球近傍天体を近距離から観測できる絶好の機会となる。過去にもっと小さな小惑星の接近はあったが、直径約45mというサイズの小惑星の接近は記録的だ。最接近時、地球と小惑星の距離は、地球・月間の約13分1、再接近時の小惑星の速度はとても速く、秒速7.8km。

地球に相当近くにまで接近する2012 DA14だが、その明るさは7.5等。最大級口径の可視光望遠鏡を使っても、明るい点にしか見えなし、肉眼で直接見ることはできない。しかし、小口径の望遠鏡や性能の良い双眼鏡なら簡単に見ることができる。最接近時に、観測にもっとも適しているのがインドネシアで、小惑星が(背景の星に対して)毎分1度の速度で移動するようすが見られそうだ。また、アジア、オーストラリア、東ヨーロッパも観測に適している。
長年、銀河の中心に潜む超巨大ブラックホールはその質量を、銀河の成長とともに、徐々に増やすと考えられてきた。しかし、最新の観測によって、まったく異なるブラックホールの振る舞いが明らかになった。
BLACKHOLE.jpg(クリックで拡大)

豪・メルボルンにあるスインバーン大学 宇宙物理・スーパーコンピューテイングセンター(略称:CAS)のAlister Graham教授は「ブラックホールは、私たちが思っていたより、相当早く成長しています」と話す。

銀河中のガスは、ブラックホールに落ち込むものと新しい星の形成材料となるものがあり、さながらガスの奪い合いが起きている。

過去10年以上に渡り支持されてきたモデルや理論では、銀河とブラックホールとでは、(その質量を効果的に維持するため)ガス量の比が割り当てられてきた。しかし、最新の研究は、その考え方に訂正を求める結果を示している。

Graham教授は「銀河の星の質量が10倍増えると、ブラックホールの質量が100倍に増える関係にあることがわかりました。これは、銀河とブラックホールとの互いの進化に関する私たちの理解に広範囲の影響を及ぼすものです」と話す。

また、研究によって、小さな銀河の中心や、天の川銀河のような銀河のディスクにある星団では、正反対のふるまいが発見されている。

これまでは、銀河の質量に対し、星団の質量は0.2パーセントであり、その数値は不変であると考えられてきた。が、スインバーン大学のNicholas Scott博士は「より小さな銀河に存在するコンパクトな星団では、星の比率が大きいのです。質量の小さな銀河に存在する星団には数百万もの星が存在しており、ブラックホールより優位を占めているのです」と話している。

また、同研究では、長年のなぞが解決したとしている。それは、なかなかその存在がとらえられていない中間質量ブラックホール(質量が恒星1個から数百万程度)の存在だ。最新の研究は、すでにブラックホールの存在が知られている多くの銀河中に、中間質量ブラックホールが潜んでいると予測している。

Scott博士は(中間質量ブラックホールについて)、「次世代大型望遠鏡で見えるほど、じゅうぶんな大きさであるかもしれません」と話し、また、それらのブラックホールが星や惑星に接近していれば、それらをあっさりと飲み込む勢いをまだ持っているはずだと話す。

Graham教授は「ブラックホールはコンパクトな天体であり、その重力からは逃れることはできないのです。おそらく、多くの太陽系のような惑星系も飲み込まれる運命にあったかもしれません。またそのようなやりとりは、銀河の中心核にある星団を巨大ブラックホールへと変化させる役割をある程度果たすことでしょう」と話している。

Image Credit: wikia.com

Journal reference: Astrophysical Journal.

NEWS RELEASE SOURCE: The Daily Galaxy via Swinburne University of Technology - "Black Holes of the Universe Growing Faster than Previously Thought " ⇒ http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2013/01/black-holes-of-the-universe-growing-faster-than-previously-thought.html 






英国の研究チームが40億光年もの長さに広がる構造を発見したと主張している。
skydist_huge-lqg_cclqg-600x600.jpg(発見された構造を示した画像、黒丸が大きなクエーサー、赤い×印は、そのほかの小さなクエーサー)


研究チームが発見したのは、大きなクエーサーの集まりだ。クエーサーとは、初期宇宙に形成された大きな銀河の核である。そのような構造が存在するとなれば、この宇宙における物質は、あちこちに散在しているというより、より均一に広がっているということとなり、理論物理学的に問題となる。


とはいえ、それは理論物理学上の問題である。ここでは、発見されたという構造がどれほど大きいのかという点をお話したい。

まず、1光年という単位について理解してみよう。もちろん「光が一年で進む距離」だということは、ご存じのはず。正解です。ただ、その距離がどれほど遠いものなのかが、わかるだろうか?

太陽系から一番近い恒星であるアルファ・ケンタウリはまでの距離は4光年。地球が、米国フロリダ州オーランドにあるとして、アルファ・ケンタウリがロサンジェルスあたりに相当するとする。NASAの探査機ボイジャーは人類が作った探査機としてはもっとも遠い位置に到達しており冥王星の軌道の外にいるが、そのスケールで考えた場合、たった1マイル(1.6km)しか旅していないことになるのだ。

つまり、1光年とは本当に遠いのである。そこで、今回発見さ40億光年もの広がりをもつクエーサーの集まりに話を戻そう。

米国のヒューストンと東京間を、今回のクエーサーの広がりにたとえると、ボイジャーが旅した距離は、人間の髪の毛の直径以下でしかない。逆に、世界でもっとも速い飛行機であり、最高速度マッハ9.6を誇るX-43に乗ったとしよう。すると、今回発見された構造を飛び越えるには、40兆年もの年月がかかってしまうのである。

IMAGE CREDIT:R.G.Clowes/UCLan

NEWS RELEASE SOURCE:SciGuy - A science blog with Eric Berger "Scientists find the biggest thing in the universe" ⇒ http://blog.chron.com/sciguy/2013/01/scientists-find-the-biggest-thing-in-the-universe/

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