観測宇宙論

宇宙の大規模構造の特性と起源を理解することは観測宇宙論にとって最も重要である。現在最も広く受け入れられているシナリオは、主に冷暗黒物質の空間的非均一性に起因する重力の不安定性が種となって密度のばらつきを増幅し、現在の階層構造を形成したと考える冷暗黒物質に支配されたモデルである。したがって冷暗黒物質の分布と量を突き止めることが大規模構造形成の理解にとって重要である。さらに、暗黒エネルギーの存在が宇宙膨張を加速させるので構造形成に影響を与える。暗黒物質の分布と暗黒エネルギーの正体は大規模な銀河サーベイによって調べることができる。

我々は現在使用可能な望遠鏡を使った観測と装置の将来計画の両方に活発に取り組んでいる。この分野のふたつの強力な研究手法が重力レンズ効果とバリオン音波振動である。

重力レンズ効果

遠方の銀河が発する光の軌道はその伝播途中に横たわる大きな物体の重力で曲げられ、銀河画像がゆがめられる。これが弱い重力レンズ効果である。逆に辿って、銀河画像間のゆがみの相関を測定すると目に見えない暗黒物質の分布がわかる。さらに、弱い重力レンズ効果は宇宙スケール距離の光の伝播を扱うので、その効果の大きさは暗黒エネルギーに敏感な宇宙膨張の歴史に左右される。したがって弱い重力レンズ効果に関連する観測量は暗黒物質と暗黒エネルギー、いわゆる「暗黒面」、の正体を調べる強力な手法を提供する。我々はすばる望遠鏡からのデータや大規模構造のシミュレーションを用いて、観測と理論両方から重力レンズ効果現象の研究を行なっている。

バリオン音波振動

暗黒エネルギーの性質を調べるには宇宙膨張の歴史を正確に調べる必要がある。光は有限速度で伝わるため、遠くを見ることによって過去の膨張速度を測定できる。異なった距離での膨張速度を比較することによって膨張の歴史を調べ出すことができる。膨張自体は比較的簡単に測定することができる。遠方の銀河から発せられた光は空間の膨張によって引き伸ばされ、より赤色になる。これは普通の分光器があれば測定できる。

しかし膨張の歴史の測定には銀河から発せられた光がどのくらい過去に起きたものなのか、別の言い方をすれば、どのくらい離れたところで起きたのかを知る必要がある。しかし、宇宙スケールでの正確な距離の測定は非常に難しい。この課題を克服するための有力な手がかりが宇宙初期のバリオン音波振動、あるいは音波の伝播、によって刻印されたバリオン物質の特徴的な距離間隔の集まりであり、これが宇宙スケールの距離測定のための「標準ものさし」の役割を果たす。この方法では広視野の膨大な数の銀河を観測して、明るい銀河の空間分布を作り、特徴的な距離を測定しなければならない。

ハイパー・スプリーム・カメラ(HSC)

現在建設中のHSCはすばる望遠鏡(ハワイのマウナケア山頂4,200メートルにある8.2メートル可視光ー赤外線領域望遠鏡)の主カメラを約10倍の広視野を持つ新しいカメラと交換するプロジェクトである。高サーベイ速度や優れた画質などHSCが持つ性能を最大限活用して大規模な銀河サーベイを行ない、数千2乗度の視野をカバーして、数赤方遷移までの初期宇宙を探査する計画である。この計画は弱い重力レンズ効果や銀河クラスターなど宇宙スケールの観測量データをもたらし、暗黒物質と暗黒エネルギーを解明するには理想的である。IPMU研究者は積極的にこの計画に関わり、データ解析手法を開発中である。

スローン・デジタル・スカイ・サーベイIII(SDSS III)

SDSS-IIIグループは2011年1月これまでに最大規模の宇宙デジタルカラー画像を公開した。この画像はニューメキシコ州のアパッチポイント観測所にある2.5メートル望遠鏡で過去10年にわたって集められた、膨大な数の2.8メガピクセル画像で出来ていて、一兆ピクセル以上からなるカラー画像である。SDSS-IIIの公開は 以前に公開され今回のデータの一部でもあるSDSS-Iと SDSS-IIとともに、これまでで最も完璧な夜空の写真を天文学者に提供する。SDSSデータはすでに小惑星、星、銀河、遠方のクエーザーなど、5億個ほどの新しい天体物体の発見に使われてきた。

IPMUはSDSS-IIIグループの一員としてこの豊富な画像を使った研究に加わってきた。しかし我々の関心は改良された分光装置を使った、より深い宇宙の新たなサーベイである。バリオン振動分光サーベイ(BOSS)と呼ばれるこのサーベイは明るい銀河やクエーザーの空間距離をマップにして、宇宙初期のバリオン音波振動によって刻印された特徴的な距離を測定する。この音波スケールを標準ものさしとして使って、角度距離から銀河の赤方遷移を決めるのである。BOSSは2009年にデータ収集を始め、2014年まで続く。その目標は最近の宇宙の歴史で暗黒エネルギーがどのように変わっていったかを正確に測定することである。

プライム・フォーカス・スペクトログラフ(PFS)

すばる望遠鏡に次世代分光装置を取り付けて2010年代後半からデータ収集を始めようというPFS計画は、2011年1月に開催されたすばるユーザーズ会議で圧倒的多数で支持された。すばる望遠鏡の広視野とPFSを使うと一度に数千個の銀河を調べることができ、バリオン音波振動の手法を使うことができる。

この装置を使うとバリオン音波振動以外にも暗黒エネルギーの性質に制限を与える他の多くの測定もできる。さらに、このような広視野多目的分光装置は世界の大型望遠鏡の中でもユニークで、銀河の形成や進化さらには我々の天の川銀河が出来た歴史に関してこれまで考えもしなかった研究を可能にするかもしれない。

この計画の強みはHSC(重量3トン、9億ピクセルのデジタルカメラ、今年中に稼動開始予定)を使ったデータを活用できることである。すばるのHSC画像とPFS分光を組み合わせるのでSuMIRe計画(Subaru Measurement of Images and Redshifts)と呼ばれる。SuMIRe計画はスローン・デジタル・スカイ・サーベイ(SDSS)の偉大な業績の繰り返しに留まらず、それを超えて初期の星や超巨大ブラックホールが形成された初期の宇宙の探索を目指す。

グループメンバー