筑波大学大学院博士課程
物理学研究科

８、 宇宙物理

Astrophysics

There are a lot of open questions on the formation of galaxies and stellar/planetary systems. In the astrophysics group, the formation processes of such objects are pursued with using analytical approaches or large numerical simulations.

1 ）銀河の形成
　宇宙の中で、銀河は基本的な構成要素であり、それは１千億個もの星の大集団で ある（図1）。現在観測されている最も遠い銀河は140億光年の彼方にある。言い 換えると140億年前には既に銀河が誕生していたのである。宇宙初期の様子を知る 重要な手がかりに宇宙背景輻射がある。これは150億年前に起ったとされるビッグ バンから10万年後の宇宙を満たしていた光である。宇宙背景輻射の観測で、このと きの宇宙は極めて静かであり、密度のコントラストはわずか10万分の1しかないこ とがわかっている。このように静かな宇宙から、どのようにして銀河が出来たのか。 これが銀河形成論の最大の謎である。

　銀河形成には、ダークマターと呼ばれる物質が深く関わっていると考えられてい る。ダークマターとは銀河や星の運動から、その存在が示唆されているものである が、その正体はまだ確定していない。ともあれ、このダークマターの重力の助けが なければ、非常に静かだった初期の宇宙から銀河を作るのは極めて難しいことが最 近の研究でわかってきた。図2に、ダークマターが支配する宇宙での銀河形成につ いて大規模な数値シミュレーションをした例を示す。

　一方で最近、銀河の中心に太陽の１千万倍以上の重さを持つ巨大なブラックホー ルが存在する証拠が次々に見つかってきている（図3）。これまで巨大ブラックホー ルは、超遠方の謎の天体「クェーサー」のエネルギー源として考えられてきたが、 通常の銀河の中心にも巨大なブラックホールの証拠が見つかってきたことで、銀河 形成論は新たな展開を見せようとしている。

　当グループではダークマター宇宙での銀河形成や巨大ブラックホール形成の研究 を多角的に進めている。

Formation of Galaxies

The observations on very far galaxies show that galaxies formed just 1 billion years after the Big Bang which occurred 15 billion years ago. The measurements on the cosmic background radiation have revealed that the early universe was extremely homogeneous. The discrepancy between the smoothness and the highly nonlinear structures like galaxies could be reconciled in terms of dark matter. Also, there are several evidences that a massive black hole inhabits the center of a galaxy. We pursue the formation of galaxies and massive black holes in dark matter-dominated universes.

２）星・惑星系形成
　太陽のような恒星は銀河系の中におよそ一千億個もあるとみられており、銀河の 主要構成要素である。恒星は、銀河の中で誕生し、進化し、やがて死を迎える。そ の間、周囲に惑星系を伴い生命を宿すものもあるであろうし、最後に超新星爆発を 起こすものもある。いずれにせよ星の運命は、誕生のときの質量によってほとんど 決まってしまうらしい。それでは、星の誕生のその瞬間はどのようなものなのだろ うか。星形成にまつわる疑問は数多いが、なかでも比較的新しいテーマである星・ 惑星系の形成については、近年、観測的にも理論的にも精力的に研究が展開されて いる。現時点で考えられている星・惑星系形成のシナリオを図4に示す。

　恒星は星間雲が自己の重力によって収縮して誕生する。その際、角運動量を持っ たガスは中心にある原始星まで収縮することができず、原始星の周囲に円盤状の天 体を形成する。この円盤は原始惑星系円盤と呼ばれている。原始惑星系円盤は原始 星の成長に影響を与え、またその中から惑星系を生み出す。したがって星・惑星系 の形成の詳細を知るためには、原始惑星系円盤の形成と進化を解明することは避け て通れない。我々は、目下原始惑星系円盤の形成と進化の詳細を解明することを目 標として、理論的研究を行っている。

Formation of Stellar and Planetary Systems

Stars are formed by the collapse of interstellar clouds. The material which possesses some amount of angular momentum cannot reach a central protostar, but forms a disk-like object, say a protoplanetary disk. The protoplanetary disk affects the growth of a protostar, and also bears planets. Thus, to understand the formation of stellar and planetary systems, the processes of the protoplanetary disk formation must be analized in detail.

３）計算宇宙物理学
　計算宇宙物理学の目的は、銀河形成や星・惑星系の誕生に関わる複雑な非線形現 象を数値シミュレーションによって解析し、その本質的物理機構を解明するところ にある。天体形成を司る物理は、大別して、重力物理、流体力学、輻射過程の３つ である。これまで主として用いられてきた手法は、重力と流体運動を組み合わせて 解く宇宙流体力学である。しかし計算物理学研究センターで現在開発中の超並列計 算機CP-PACSを用いれば輻射輸送過程も同時に解く輻射流体力学も可能なる。こ のような新しい数値解析により、銀河や星・惑星系形成の研究は大きく前進するも のと期待される。

Computational Astrophysics

In the study of the nonlinear phenomena related with gravitational, hydrodynamical, and radiative processes, it is quite effective to employ numerical simulations. Cooperating with Center for Computational Physics, we are constructing radiation-hydrodynamics codes. They will advance our understandings of the formation of galaxies and stellar/ planetary systems.

図１　渦巻型銀河は、薄い円盤と中心の楕円部分（バルジ）から成る。

A spiral galaxy consists of a thin disk and a central elliptical part (called 'bulge').

図２　ダークマター宇宙における銀河形成のシミュレーション。白い塊一つ一つが 原始銀河。

A simulation of galaxy formation in a dark matter-dominated universe. Bright lumps are primordial galaxies.

図３　４千５百万光年彼方にある巨大楕円型銀河M87。左の白い部分は光学観測で 見える部分。オレンジ色の部分は、電波観測で見える銀河ジェット成分。右の図が、 ハッブル宇宙望遠鏡(NASA)がとらえたM87の中心核であり、高速回転するガス円 盤の観測から巨大ブラックホールの存在が示された。

M87, an elliptical galaxy located 45 million light-years away. Left: an optical component (white) and a pair of radio jets (orange). Right: the HST (NASA) revealed that a giant disk of cold gas and dust fuels a possible black hole at the core of the galaxy.

図４　星・惑星系形成のシナリオ

A scenario for the formation of stellar and planetary systems. 1AU is 150 million km that is the distance from the Sun to the Earth.

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