位置天文学で探る銀河の構造

2024 年 5 月 25 日に国立天文台で実施された総研大入試ガイダンスの講演で使用したスライドです.

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1. 位置天文学で探る銀河の構造 大澤 亮 自然科学研究機構国立天文台 JASMINE プロジェクト
2. 自己紹介 名前: 大澤 亮 所属: 国立天文台 JASMINE プロジェクト 専門: 観測天文学 (可視光･赤外線) 晩期型星や流星･小惑星の観測的研究 観測装置 (カメラ･ソフトウエア) の開発 特に JASMINE プロジェクトでは 観測データのシミュレーション 位置天文データ解析ソフトウエアの開発 統計･データ科学を駆使したあらたな解析アルゴリズムの開発
3. 目次 位置天文学とはどのような学問か 天の川銀河の概観 宇宙からの位置天文観測 超高精度位置天文観測で探る天の川銀河 銀河中心核領域を探る JASMINE 計画
4. 観測天文学 宇宙 (=極限環境) を対象とした実験科学 観測天文学: 宇宙からやってくるメッセンジャーから情報を読み取る 電磁波, ニュートリノ, 重力波, 宇宙線, …
5. 観測天文学 宇宙 (=極限環境) を対象とした実験科学 観測天文学: 宇宙からやってくるメッセンジャーから情報を読み取る 電磁波, ニュートリノ, 重力波, 宇宙線, … 電磁波から読み取ることができる情報: 到来方向 × 強度 (明るさ･色) × 時間変化
6. 観測天文学 宇宙 (=極限環境) を対象とした実験科学 観測天文学: 宇宙からやってくるメッセンジャーから情報を読み取る 電磁波, ニュートリノ, 重力波, 宇宙線, … 電磁波から読み取ることができる情報: 到来方向 × 強度 (明るさ･色) × 時間変化 ⇨ 位置天文学 (アストロメトリ)
7. 位置天文学の歴史 天体 (恒星･惑星･太陽系小天体) の位置とその変化を調べる 天文学の中でも古い歴史を持つ分野 暦の作成, 測量, 航海 (星図の作成) といった実用的な側面とも関係が深い アストロラーベ (チ。ー地球の運動についてー, 魚豊 1 巻表紙); 象限儀 (ディコ･ブラーエ博物館, Pimvantend in wikimedia.org); レプソルド子午儀 (国立天文台)
8. 子午儀のしくみ 子午儀: 子午線 (南北) に沿ってのみ可動する望遠鏡 天体が内部の目盛りを通過した時刻 (南中時刻) を測定する 地球の運動 (公転･自転) を “ものさし” として天体の位置を正確に測る装置 Fig 88 in A Handbook of Descriptive and Practical Astronomy: Instruments and practical astronomy (Chambers, 1890)
9. 位置天文学 天体の位置の精密測定 ⇨ 星図の作成から星の運動の測定へ 位置の時間変化を測定する: 固有運動 ｢みかけ｣の位置の年変化を測定する: 年周視差 太陽 地球 Parallax (original by KES47, wikimedia.org); Parallax and Proper Motion in Youtube.com (ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO)
10. 位置天文学 高精度な位置天文測定がもたらすもの ⇨ 恒星の運動と 3 次元の空間分布 ⇨ 天の川銀河の力学
11. Slide Title Slide Contents NASA/JPL-Caltech, ESA, ESA/ATG medialab (sci.esa.int)
12. Slide Title 天の川銀河のおおきさ 銀河中心まで およそ 2 万 6000 光年 ~ 8 kpc 銀河バルジまで およそ 1 万 5000 光年 ~ 4−5 kpc の 円 太陽系 pc 8k ~ 半径 Artist's impression of the Milky Way, NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt (www.eso.org)
13. 高精度位置天文観測 天の川銀河の構造の理解 ⇨ ~10 kpc 程度のスケールで恒星の運動を明らかにしたい μ 運動 有 固 固有運動 恒星の運動速度 50 km/s, 距離 10 kpc とすると 固有運動の典型的な大きさ μ = 1 mas/yr 1 年間かけて 3600 分の 1000 分の 1° 移動する 1° 移動するのに 360 万年かかる 年周視差 π 年周視差 恒星までの距離を 10 kpc とすると 年周視差のの典型的な大きさ π = 0.1 mas 1 年間かけて 3600 分の 10000 分の 1° の円を描く Parallax and Proper Motion in Youtube.com (ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO)
14. Hipparcos European Space Agancy (ESA) によって計画された世界初の位置天文観測衛星 ゆっくりと自転しながら星が目の前を通過する瞬間の時刻を測る 2 方向を同時に観測することで系統誤差を抑えた測定を実現する 1989 年に打ち上げ, 4 年間で約 120 万天体超の位置天文観測を実施 1997 年に最初のカタログ Hipparcos-Tycho catalog を出版 地上からは難しかった a few mas レベルの年周視差測定を実現 2007 年にはデータの再解析で 2 倍程度の精度向上を達成 Hipparcos (ESA, www.cosmos.esa.int/web/hipparcos), van Leeuwen, 2007, A&A, 474, 653
15. Slide Title Hipparcos が測定できた天体 太陽系から およそ 650 光年 ~ 200 pc ↘ の 円 太陽系 黒丸の領域 pc 8k ~ 半径 Artist's impression of the Milky Way, NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt (www.eso.org)
16. 特異な運動をする集団 観測データ 金属量が低い星々の運動を解析 [Fe/H] ≦ -1.6 同じ角運動量をもつ集団を発見 似たような運動をしている集団 静かに成長した銀河には存在しないはず シミュレーションによる予測 天の川銀河が取り込んだ銀河の残骸(?) 天の川銀河が周囲の小さい銀河との衝突を 繰り返して成長してきたことを示唆する痕跡 Figure 1 of Helmi et al. 1999, Nature, 402, 53-55
17. 特異な運動をする集団 Mihos & Hernquist, 1995, ApJ, 448, 141 (visualization by Sean Maxwell)
18. Gaia European Space Agency (ESA) による新しい位置天文観測ミッション Hipparcos と同様にゆっくりと自転しながら星が通過する瞬間の時刻を測る 1.5 m × 0.5 m の鏡と最新の半導体イメージセンサで測定精度を飛躍的に向上 2013 年に打ち上げ, およそ 20 億天体を観測 (天の川銀河の 1% に相当) 2016 年に最初のカタログ (Data Release 1) を公開, その後も観測を続け 2018 年に DR2, 2020 年に early DR3, 2022 年に DR3 を公開. 観測運用は 2025 年まで継続することになっている. eDR3 では明るい天体の年周視差をおよそ 0.02-0.03 mas の精度で測定 比較的暗い天体でも 0.07 mas の精度での測定を達成 Gaia (ESA, www.cosmos.esa.int/web/gaia); Uncertainties for G<15 & G< 17 mag. (Gaia Early Data Release 3)
19. Slide Title Gaia が測定した天の川銀河 太陽系から およそ 3 万 2000 光年 ~ 10,000 pc 天の川銀河の広い領域をカバー ⇨ 銀河系の力学研究が精密科学に の 円 太陽系 pc 8k ~ 半径 Artist's impression of the Milky Way, NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt (www.eso.org)
20. Gaia's Striking Discoveries 1. Gaia-Enceladus-Sausage (Belokrov+, 2018, MNRAS, 478, 611, etc...) 2. Phase Spiral (Antoja+, 2018, Nature, 561, 360, Antoja+, 2023, A&A, 673, A115, etc...) 3. 3D dust distribution (Lallement+, 2022, A&A, 661, A147, Edenhofer+, 2023, A&A, 685, A82, etc...) 4. Gala BH3 (Gaia Collaboration+, 2024, A&A, in press, etc...)
21. Gaia-Enceladus-Sausage 銀河ハロー領域に存在する星の速度成分を金属量ごとに調査 金属量が多い星で動径方向の速度が卓越する (ソーセージ形状) 金属量･小 布 横に 潰れた楕円形状 分 銀河回転方向の速度成分 金属量･極小 円に近 い 銀河動径方向の速度成分 Belokurov et al., 2018, MNRAS 478, 611 の Figure 2 より抜粋
22. Gaia-Enceladus-Sausage 約 100 億年前に大規模な銀河衝突があった名残 ＝ ソーセージ形状？ Koppelman, Villalobos & Helmi, Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, The Netherlands (based on Villalobos and Helmi, 2008 & 2009)
23. Gaia Phase Spiral 銀河面に対して垂直方向の運動を位置･速度空間で表現 銀河円盤からの距離 銀河円盤からの距離 [kpc] 銀河面垂直方向速度 [km/s] with Gaia 銀河回転速度 銀河回転速度 [km/s] 銀河面垂直方向速度 銀河面垂直方向速度 銀河面垂直方向速度 [km/s] before Gaia 銀河回転速度 銀河回転速度 [km/s] 位相空間でのうずまきの発見 銀河円盤からの距離 銀河円盤からの距離 [kpc] Antoja, Ramos, et al., 2023, A&A, 673, A115; Antoja et al., 2018, Nature, 561, 360
24. Gaia Phase Spiral 銀河面に対して垂直方向の運動を位置･速度空間で表現 銀河円盤からの距離 銀河円盤からの距離 [kpc] 銀河面垂直方向速度 [km/s] with Gaia 銀河回転速度 銀河回転速度 [km/s] 銀河面垂直方向速度 銀河面垂直方向速度 銀河面垂直方向速度 [km/s] before Gaia 銀河回転速度 銀河回転速度 [km/s] 位相空間でのうずまきの発見 銀河円盤からの距離 銀河円盤からの距離 [kpc] Antoja, Ramos, et al., 2023, A&A, 673, A115; Antoja et al., 2018, Nature, 561, 360
25. Gaia Phase Spiral 約 10 億年ほど前に小さい銀河が通過した余波が見えている ＝ 天の川銀河の円盤は平衡状態にない with Gaia 銀河回転速度 [km/s] 銀河面垂直方向速度 銀河面垂直方向速度 [km/s] 銀河回転速度 銀河円盤からの距離 銀河円盤からの距離 [kpc] Antoja, Ramos, et al., 2023, A&A, 673, A115; Antoja et al., 2018, Nature, 561, 360; Animation by Teresa Antoja
26. 3D 星間ダストマップ 星からの光は星間空間をただよう星間ダストを通過すると吸収･散乱され赤化する 星の赤化量 同じ方向に並んだ星の距離と赤化量の関係から見えないダストの分布が浮かび上がる 太陽系からの距離 Lallament et al., 2019, A&A, 625, A125; Lallament et al., 2022, A&A, 661, A147
27. 3D 星間ダストマップ 星の色は星間空間をただよう星間ダストを通ると赤化する 同じ方向に並んだ星の距離と赤化量の関係から見えないダストの分布が浮かび上がる Figure 5 of Edenhofer et al., 2024, A&A, 685, A82
28. 3D 星間ダストマップ 星の色は星間空間をただよう星間ダストを通ると赤化する 同じ方向に並んだ星の距離と赤化量の関係から見えないダストの分布が浮かび上がる 若い星の分布 (星形成の現場) を よくトレースしている Figure 6 of Edenhofer et al., 2024, A&A, 685, A82
29. 位置天文観測によるブラックホールの発見 固有運動+年周視差では説明できない運動 ⇨ 見えない重力源の存在 Gaia Collaboration et al., 2024, A&A, in press
30. 位置天文観測によるブラックホールの発見 固有運動+年周視差では説明できない運動 ⇨ 見えない重力源の存在 33M⦿ Gaia Collaboration et al., 2024, A&A, in press
31. Gaia's 10th Anniversary (ESA, www.esa.int)
32. Slide Title Gaia では観測できない領域 銀河中心方向に およそ 1 万 3000 光年 ~ 4,000 pc 星間ダストによる減光で測定できない ⇨ ダストの影響を受けにくい観測が必要 の 円 太陽系 pc 8k ~ 半径 Artist's impression of the Milky Way, NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt (www.eso.org)
33. Slide Title Gaia では観測できない領域 銀河中心方向に およそ 1 万 3000 光年 ~ 4,000 pc 星間ダストによる減光で測定できない ⇨ ダストの影響を受けにくい観測が必要 ⇨ JASMINE による赤外線位置天文観測 の 円 太陽系 pc 8k ~ 半径 Artist's impression of the Milky Way, NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt (www.eso.org), JASMINE (NAOJ, ISAS)
34. 銀河中心核の進化を探る 銀河中心核円盤の運動を明らかにすることで天の川銀河形成史に迫る 銀河バルジ 年) 650 光 ( c p 0 ~20 銀河中心核円盤 銀河バルジと銀河中心核円盤の関係 (NAOJ, ISAS)
35. JASMINE 計画 地球低軌道の赤外線宇宙望遠鏡で超高精度位置･測光観測を実現する計画 2029 年ごろのうちあげ + 3 年間の運用を目指して活動中 宇宙位置天文観測計画の比較 Hipparcos (ヒッパルコス) 可視光; 回転しながら全天をスキャン; フォトマル & 格子; 静止トランスファ軌道 Gaia (ガイア) 可視光; 回転しながら全天をスキャン; CCD (TDI); L₂ ラグランジュ点 JASMINE (ジャスミン) 近赤外線 (~1 μm); 銀河中心核の指向観測; CMOS; 地球低軌道 (太陽同期軌道) これまでのミッションとは設計思想･観測方法が大きく異なるため数多くのチャレンジが存在する
36. JASMINE の特徴 JAXA 宇宙科学研究所と連携して 宇宙望遠鏡の設計と評価を進めています 赤外検出器ユニット 超低膨張率の素材を使用した光学系 国産InGaAs赤外線検出器 ルド 昼夜境界線を飛ぶ ー シ 太陽同期軌道に投入 サン 望遠鏡口径 36 cm ISAS/JAXA, NAOJ
37. おわりに 観測精度の向上によって位置天文学の対象は大きく変化してきた 暦･星表の作成 ⇨ 太陽系天体の力学 ⇨ 星の運動の測定 ⇨ 天の川銀河の力学 この 10 年間で Gaia は数多くの発見に貢献 天の川銀河の合体衝突成長の痕跡 / 星団 / 共鳴構造 / ブラックホール連星 / 系外惑星 / etc... Gaia の後継ミッション (赤外線 Gaia) は 2040 年代の予定 JASMINE: 次のステップとして銀河中心核領域に特化 様々な制約がある中で局所的に Gaia に匹敵する性能を目指す ミッションの立ち上げに興味がある人はぜひ話を聞きに来てください
39. ⇦ Gaia Focused Product Release ⇦ Gaia Data Release 3 ⇦ Gaia early Data Release 3 ⇦ Gaia Data Release 2 ⇦ Gaia Data Release 1 ⇦ 観測運用開始 論文引用数 (累計) 天文学を支える位置天文観測 今や世界中の研究者が Gaia のデータを使用して研究をしている Gaia 論文引用数 論文出版日 Citations based on the NASA/ADS (Ohsawa, 2024.05.22)