物理学第14回
Summary
TLDRこのビデオスクリプトでは、物理学の分野におけるダークマター問題に焦点を当てた解説がされています。ダークマターとは、重力の影響が観測されるが、光や電波で見えない不思議な物質のことであり、宇宙の大部分を構成しているとされています。スクリプトでは、ダークマターの存在を示す証拠として、重力レンズ効果や渦巻銀河、銀河団の観測結果が紹介されています。また、ダークマターの質量を推定する3つの方法：天体の運動速度、ガスの温度、重力レンズ効果を利用する方法が説明されています。しかし、ダークマターの正体は未だに謎に包まれており、物理学の重要な未解決問題の一つとして位置しています。
Takeaways
- 🌌 ダークマターは物理学の重要な問題であり、重力レンズや渦巻き銀河の観測から存在が示されています。
- 🔍 ダークマター問題は、観測される物質の全質量（ML）と重力を及ぼす物質の全質量（MG）の不等式を表します。
- 🌀 渦巻き銀河のMGは、その回転速度から求められ、多くの場合MLの10倍以上とされる例があります。
- 🌌 銀河団の観測では、高温ガスの温度を通じてMGが推定され、MLの30から100倍に達することがわかっています。
- 🔬 ダークマターの正体はまだ不明で、光を放出しない未知の素粒子から成るとされている説があります。
- 📚 MGの求め方は、天体の運動速度、ガスの温度、重力レンズ効果など、複数の方法があります。
- 🚀 X線観測を通じて、銀河団内部の高温ガスが存在することが判明しており、これらはMGの推定に利用されています。
- 🌐 重力レンズ効果は、アインシュタインの一般相対性理論から予言され、1919年の太陽重力レンズ観測で確認されました。
- 🔭 銀河団A2218の例では、重力レンズ効果によって背景の銀河の形が歪み、これから銀河団のMGが推定されます。
- 🤔 ダークマターは物理的な粒子としてまだ検出されておらず、物理学の未解決問題の一つです。
- 📈 ダークマターの存在は、宇宙の構造と進化を理解する上で欠かせない要素とされています。
Q & A
ダークマターとは何ですか？
-ダークマターは重力を及ぼすが、光や電波では見えない未知の物質であり、宇宙のほとんどの物質を構成していると考えられています。
ダークマターが存在する証拠は何ですか？
-ダークマターが存在する証拠は重力レンズ現象や渦巻銀河の回転速度などがあります。特に、mg（重力を及ぼす物質の質量）とml（光や電波で見えている物の全質量）の不均衡が重要な指標です。
mgとmlはどのように求められますか？
-mgとmlは、天体の運動の速度、付随するガスの温度、重力レンズ効果を利用して求められます。
渦巻銀河のMGを求めるとき、ドップラー効果とは何を意味しますか？
-ドップラー効果は波長のずれを指しており、渦巻銀河の回転速度を測定する際に利用されます。
銀河団の高温ガスがX線で観測される理由は何ですか？
-銀河団の高温ガスは数千万から1億ケルビの高温を持っており、その熱エネルギーからX線を放出しているため観測されます。
重力レンズ効果とはどのような現象ですか？
-重力レンズ効果は、強い重力源の近くを通過する光の進路が曲がることを指し、その結果として遠くの天体が歪曲したり、明るくなったりする現象です。
1919年の太陽重力レンズ効果の観測はなぜ重要ですか？
-1919年の太陽重力レンズ効果の観測は、アインシュタインの一般相対性理論を検証する最初の観測であり、理論の正しさを実証しました。
ダークマターの正体は今ではどのように考えられていますか？
-ダークマターの正体は現在も謎に包まれており、光を放出しない未知の素粒子からできているとする説がありますが、具体的な粒子はまだ発見されていません。
ダークマター問題はなぜ未解決の問題とされていますか？
-ダークマター問題は未解決の問題とされているのは、ダークマターの具体的な性質や構成がまだ不明であり、観測的にも直接的な証拠が得られていないためです。
銀河団全体のmgが求められると、その結果は何ですか？
-銀河団全体のmgが求められると、mgはmlの30から100倍であることがわかります。これはダークマターが存在する強い証拠となっています。
Outlines
🌌 ダークマターの存在とその問題点
物理学の講義ではダークマターについて説明しており、ダークマター問題はmg（重力を及ぼす物質の全質量）とml（光や電波で見えている物の全質量）の不等式を表す。mgがmlより大きいという事実から、宇宙には光や電波では見えない物質が存在することが示されている。この問題は渦巻銀河や銀河団を通じて観測され、特に銀河団ではmgがmlの10倍以上であることが示されている。ダークマターの正体は不明であり、未知の素粒子からできたとされる説がありますが、現在は未解決のままである。
🌀 渦巻銀河の運動とダークマターの推定
渦巻銀河の運動からダークマターの質量を推定する方法について解説されている。渦巻銀河は遠ざかる方向に運動しているが、その一部では異なる運動が観測される。これは渦巻銀河の回転運動を示しており、ドップラー効果によりその回転速度が測定できる。渦巻銀河のmgは、この回転運動による遠心力を考慮して求められる。結果、mgはmlの約10倍とされる。
🌌 銀河団と高温ガスの観測
銀河団の観測とその内部にある高温ガスについて述べており、X線で観測されたこれらのガスは数千万から1億ケルビの高温を持っており、可視光線では見えない。高温ガスの温度から、それらが煮えきらないためにはどれだけの重力が必要かが求められる。銀河団全体のmgは、これらの観測を通じてmlの30から100倍とされる。
🔍 重力レンズ効果と銀河団の観測
重力レンズ効果について説明されており、これはアインシュタインの一般相対性理論によって予言された現象である。重力源の近くを通過する光の進路が曲げられるため、遠くの天体が見え方を変えることがある。1919年の太陽重力レンズ効果の観測が初めて確認され、これにより遠くの銀河の形の歪みから銀河団の重力を推定することができる。
🚫 ダークマターの謎と未解決の問題
ダークマターの正体は不明であり、現在も謎に包まれている。物理学者たちはダークマターが未知の素粒子からできている可能性があると仮説しているが、それらの粒子が実際に存在することが実験的に確認されていない。ダークマター問題は、現在も物理学における未解決の問題の一つであると結び付けている。
Mindmap
Keywords
💡ダークマター
💡重力レンズ
💡渦巻き銀河
💡銀河団
💡mgとML
💡ドップラー効果
💡高温ガス
💡X線
💡宇宙の不均衡
💡一般相対性理論
Highlights
ダークマター問題とはmgがMLより大きいという不等式を示す。
MGはある天体に含まれる重力を及ぼす物質の全質量、MLは光や電波で見えている物の全質量。
銀河や銀河団においてMGはMLの10倍以上あることが観測でわかった。
ダークマターは重力を及ぼすが光や電波では見えない物質である。
重力を及ぼす物質の質量MGは3通りの方法で求められる。
1つ目の方法は天体の運動速度からMGを求める。
渦巻銀河の回転速度からMGを求める例としてM51が紹介された。
ドップラー効果による波長のずれから渦巻銀河の回転速度がわかる。
2つ目の方法は付随するガスの温度からMGを求める。
銀河団の高温ガスがX線で観測され、その温度からMGが求められる。
3つ目の方法は重力レンズを利用してMGを求める。
重力レンズ効果はアインシュタインの一般相対性理論から予言された。
1919年の太陽による重力レンズ効果の測定が初めての観測的確認。
銀河団A2218の重力レンズ効果で背景銀河の形が歪むことが観測された。
銀河団全体のMGはMLの30から100倍にのぼせることがわかった。
ダークマターの正体は未知の素粒子からできているとする説が有力。
ダークマター問題は未解決の問題であり、その素粒子はまだ実験的に確認されていない。
Transcripts
00:02皆さん
00:03こんにちは物理学1第14回の事業を始め
00:09ます今回はダークマターというものについ
00:13て説明し
00:15ます今回の内容はダークマター問題と
00:21はダークマターが存在する
00:25証拠重力
00:27レンズダークマターの体は
00:34ですダークマター問題というのは1つの不
00:38等式で表すことができますそれ
00:42はmgがMLより大きいという不等式
00:49ですまずMGというの
00:53はある天体に注目した時その天体に含ま
00:58れる
01:00天体に含まれる重力を及ぼす物質の全
01:05質量
01:10です次にmlというの
01:14は同じ天体に含ま
01:17れる光や電波で見えている
01:23ものの全質量
01:27です光で見えている
01:30の方はいいとして電波で見えているという
01:34のはどういうことかという
01:36と電波を発していてその電波を観測する
01:41ことにより存在が分かるものということ
01:45です光や電波で見えているものとは具体的
01:50には星やガスのこと
01:55ですなお今回も単に星という場合には構成
02:00のことを意味するものとし
02:05ますmgとmlが等してれば何の問題も
02:10ありません
02:11がMGの方がMLよりも大きいのが問題な
02:16の
02:21ですmgがMLより大きいと言っても少し
02:26大きい程度であれば観測にともう誤差の
02:30問題であろうと片付けてしまえるかもしれ
02:33ませ
02:34んしかしそうではなく銀河や今回の真ん中
02:40ありで出てくる銀河団というものの
02:45場合MGはmlの10倍以上であることが
02:50観測により分かってい
02:53ますということ
02:57は宇宙にあるほとんどの物質
03:03は重力は及ぼす
03:07が光や電波では見えない
03:14ものすなわちダーク
03:16マターであることになり
03:21ますこのダークマターの正体は何かという
03:25のがダークマター問題です
03:33さてmgとmlのうちmlの方は見えて
03:39いるものなどなので見えているものなので
03:43いいとしてMGすなわち重力を及ぼす物質
03:48の質量はどのように求めるのかについて
03:52述べ
03:55ます重力を及ぼす物質の質量の求め方には
04:00次の3通りの方法があり
04:04ます丸
04:061天体の運動の速度から
04:12求める丸2付随するガスの温度から
04:18求める丸3重力レンズを利用して
04:24求める以下ではそれぞれの方法について例
04:28を上げて説明ししていき
04:33ますまず1番目
04:36の天体の運動の速度から求めるという方法
04:41について渦巻き銀河のMGを求める渦巻き
04:46銀河のMGを求める場合を例にとって説明
04:50し
04:53ますここでM51という渦巻き銀河の写真
04:57をお見せしているのは渦巻銀河がどういう
05:01ものかを思い出していただくためであって
05:05それより深い意味はありませ
05:10んほとんどの渦巻銀河は我々から遠ざかる
05:16向きに運動してい
05:17ますそれは渦巻銀河から渦巻銀河からの光
05:23のスペクトルを取ると波長が長い方にずれ
05:27ていることからわかります
05:30しかしそれはその渦巻き銀河全体からの光
05:35のスペクトルを取った場合
05:39です渦巻き銀河をいくつかの部分に分け各
05:44部分からの光のスペクトルを取ると全体と
05:48して遠ざかっているのとは別の運動が
05:51分かり
05:52ますそれは渦巻銀河が回転運動をしている
05:57ということです
06:00それと共にどれくらいの速度で回転して
06:03いるのかということもわかり
06:15ます回転速度が分かる
06:19と回転運動による延伸力が求められ
06:26ます渦巻き銀河では
06:30重力
06:31と回転運動による遠心力
06:35がつり合っています
06:40から遠心力が分かると重力が分かり
06:47ます重力が分かる
06:52とそれだけの重力を及ぼすのにどれぐらい
06:56の質量が必要かが分かり
07:01ますすなわち渦巻銀河のmgが求められ
07:13ます以上述べた
07:16通りドップラー効果による波長のずれ
07:20から渦巻銀河の回転速度が
07:28わかり回転速度
07:30から銀河のmgが分かり
07:37ますその結果MGはmlの約10倍である
07:43ことが分かってい
07:49ます次にこのスライドで2番目に上げ
07:55た付随するガスの温度から求める
08:01という方法について説明し
08:05ますそのためにまず銀河の集団について
08:09述べ
08:13ます銀河の中には集団を形成しているもの
08:18もあり
08:21ます銀河の集団の
08:24うち比較的小さなもの
08:31含まれる銀河の個数が数個数10個程度
08:37以下
08:39を銀河
08:44群比較的大きな
08:49もの含まれる銀河の個数が数10個程度
08:55以上
08:57を銀河弾と言い
09:01ます数10個程度以下とか数十個程度以上
09:06という曖昧な表現でわかるよう
09:10に銀河軍と銀河
09:15団因果軍と銀河団との間に明確な教会が
09:21あるわけではなく銀河軍と呼んでも銀河団
09:26と呼んでもどちらでもいいような銀河の
09:28集団も存在し
09:32ます以下では銀河軍ではなく銀河団の方が
09:39テーマになり
09:43ます銀河団は宇宙に存在する最大の天体と
09:49言え
09:51ますその大きさは数百万高年程度です
09:59銀河団は宇宙全体の性質を調べるのに重要
10:04な手がかりになってい
10:12ますこれは我々から約3億高年離れた
10:18ところにある上の毛座銀河団の写真
10:24ですすなわち普通に貸光線で見るとこの
10:29ように見えるということ
10:31です白く光って見えているものはほとんど
10:35この銀河団に属する銀河だと思って
10:41ください
10:43一方これ
10:47は同じ髪の毛座銀河団
10:52をX線で見るとこのように見えるという図
10:58です
11:01X線で見るというのはこの銀河団にはX線
11:06を発するものが付随してい
11:09てそのX線を検出して観測するということ
11:15ですX線
11:18は待機に吸収されて地上に届かないので
11:23このような観測は観測ロケットや人工衛星
11:28に
11:29観測ロケットや人工衛星に検出機を搭載し
11:34て行い
11:37ます左の写真と比べるとX線を発している
11:42ものは可視光線では全く見えていないこと
11:46がわかり
11:47ますこのX線を発しているものの正体は
11:53温度が数千万ルビから1億ケルビの高温
11:59ガスであることが分かってい
12:07ます先ほど述べたよう
12:10に銀河段の内部には温度が数千万ケルビ
12:16から1億ケルビの高温ガスが広がっていて
12:21X線を走ってい
12:25ますX線での観測によりこの高温ガスの
12:29温度を知ることができ
12:35ますその温度
12:39から高温ガスが煮えていかないために必要
12:46な重力の大きさを求めることができ
12:52ますそのような重力を及ぼすためには質量
12:57がどれくらいなければならないが分かり
13:00ますすなわち
13:04銀河段全体のmgが分かるの
13:12です最後にこのスライドで3番目に上げ
13:19た重力レンズを利用して
13:23求めるという方法について説明します
13:30これはA
13:322218という番号が付けられた銀河団の
13:36写真
13:39ですこの写真に写っている白く光っている
13:43ものはほとんどほとんどがこの銀河団に属
13:47する銀河
13:50ですしかしよく見る
13:54と
13:57エコつまり円の
14:00一部のような白い
14:06筋エコのような白い筋がいくつか映って
14:10いるのがわかり
14:12ますこれらはこの銀河団に属する天体では
14:17なくこの銀河団と方向は同じであるが
14:22ずっと東北にある銀河
14:24が銀河団による重力レンズという効果に
14:28より
14:29歪んで見えているものなの
14:38です重力レンズはアインシュタインの一般
14:43相対性
14:50理論これは第6回に出てきましたが一般
14:55相対性理論から予言された
15:05です重力源のそばを通る光の進路が曲げ
15:11られることに
15:13より高原となる天体の見かけの位置が
15:17変わって見えたり見かけの明るさが変わっ
15:21て見えたり見かけの形が変わって見えたり
15:25します
15:32観測的に初めて重力レンズが確かめられた
15:36の
15:39は太陽による重力レンズ効果太陽による
15:44重力レンズの測定で1919年のことでし
15:50たこれについては2つ後のスライドで説明
15:55します
16:07この図で左端にあるのが高原となる
16:14天体右端にいるのが観測車
16:18です高原と観測車との中間的な位置
16:23に強い重力源となる
16:27天体すなわち
16:29質量の大きい天体があるとし
16:33ますこれをレンズ天体と呼び
16:38ます光原から出た光
16:41はレンズ天体のそばを通る時に進路が曲げ
16:46られて観測者に届き
16:50ますすると観測者に
16:54はあかも像とある場所から光がやってくる
17:02ように見えるの
17:06ですゾと書いてある場所から光がやって
17:10くるように見えるわけ
17:12ですこのように見かけの位置が変わって
17:16見えるだけで
17:17なく見かけの明るさが変わって見えたり
17:21見かけの形が変わって見えたりするのが
17:24重力レンズです
17:311919年に測定された太陽による重力
17:35レンズについて説明し
17:40ます星A
17:43や星B
17:47が観測者から見
17:50て太陽の背後にあるものとし
17:56ます星Aから出た光
18:00は太陽のそばを通る時に進路が曲げられ
18:06ますする
18:07と観測者にとっては見かけ上Aダッシュに
18:14あるように見え
18:18ます星Bもそれから出た光が太陽のそばを
18:25通る時に進路が曲げられるので進路が曲げ
18:30られるので見かけ上Bダッシュにあるよう
18:35に見え
18:38ますしかし通常はこのようなものを見る
18:42ことはできませ
18:43んそもそも太陽が出ているということは
18:47昼間です昼間ですから星を見ることなど
18:51できないわけ
18:54ですしかし稀に太陽の背後にある星でも
18:59見ることができる場合があり
19:03ますそれが海気日食の時
19:07です怪奇日食の時には太陽と観測者との間
19:15に太陽と観測者との間
19:20に月が入って太陽がすっ太陽がすっぽり
19:27覆いとくされますから空は暗く
19:32なりAダッシュ
19:35やBダッシュの位置を測定することが
19:39できるわけ
19:42ですそして例えば半年後になる
19:47と星Aや星Bは夜に出てくるようになり
19:51ます
19:54からそれらの芯の位置がわかります
19:59従って太陽による重力レンズがどの程度で
20:03あったかがわかり
20:10ます銀河団の中にはこのスライドのA
20:152218のよう
20:19により遠くに
20:22ある背景の銀河の形が歪んで見えている
20:26ものがあります
20:31より遠くにある背景の銀河の形が歪んで
20:34見えているものがあり
20:36ますこれは銀河団による重力レンズのため
20:42であり
20:49ます銀河の形の歪み具合
20:54から銀河段の重力が銀河弾のの重力がどの
21:00くらいなければならないかが
21:02分かりそれに
21:05より銀河全体
21:08の重力を及ぼす物質の質量すなわちmgが
21:14わかり
21:19ますこのスライドで2番目に上げ
21:24た付随するガスの温度から求める
21:28という方法
21:30や3番目に上げた重力レンズを利用して
21:36求めるという方法に
21:39より銀河団全体のmgが求められまし
21:49たその結果MGは
21:55ml銀河団の場合のmlとは
22:00銀河団に含まれるココの銀河の光って見え
22:05ている質量の
22:07はということになります
22:11がMGはml
22:15の30から100倍であることがわかり
22:20まし
22:24た以上渦巻銀河や銀河団にいてmgがML
22:31よりはるかに大きい例について述べてき
22:33まし
22:35たこれらはダークマターが存在する証拠で
22:39あると言え
22:42ますそれで
22:44はダークマターの正体は何かということに
22:48なるわけです
22:49がこれについては分かっていませ
22:55んあえて一言述べるとすれば
23:00決して光を放出することのない未知の素
23:04粒子からできているという説が有力
23:09ですしかしそのような素粒子は理論的には
23:14存在するかもしれないということになって
23:17います
23:19が実験的に存在が確かめられたことはあり
23:23ませ
23:25んしって結局も分かっていないのと同じと
23:30いうこと
23:32ですダークマター問題は未解決の問題なの
23:39です今回の内容
23:41はダークマター問題と
23:45はダークマターが存在する
23:50証拠重力
23:53レンズダークマターの正体はでした
23:58それではこれで今回の事業を終わります
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