天文学の未解決問題

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和田先生
こんにちは.和田です.

前回、太陽系の惑星に「ケプラーの第三法則(惑星の公転周期の2乗は軌道の長半径の3乗に比例する)」を適用しましたが、銀河団の場合はどうなるでしょうか?

同じように,銀河団の中の各銀河「ケプラーの第3法則」を適用してみますと,各銀河の公転の接線方向の速度の2乗 は,公転半径に無関係であることが示されています.

和田先生
これは,天文学者ヴェラ・ルービンが,アンドロメダ銀河の回転速度を観測した結果,

銀河の回転速度は,天体の分布から予測される速度と大きく異なり,周辺部での速度が予測より速い

ことを発見したことに関係しています.

こっしー君
これは,

銀河の回転曲線問題 (galaxy rotation problem)」

と呼ばれ,天文学の未解決問題の1つとされていますね.

和田先生
そうですね.

ヴェラ・ルービンですが,彼女は幼少時代から天文学に関心が強く,高校時代には天体望遠鏡を自分で作ってしまうほどでした.

1948年にヴァッサー大学を卒業してからは,プリンストン大学で学ぶつもりでしたが,女性だという理由で入学できませんでした.

こっしー君
そんなことがあったのですか.
和田先生
1948年といえば,私が生まれる10年程前ですが,アメリカでもまだ女性差別があったのですね.

その後も,彼女はコーネル大学や,ジョージタウン大学において学び続けました.

こっしー君
逆境を乗り越えて研究を続けたからこそ、偉大な発見をしたのかもしれませんね.
和田先生
そうですね.
そして,彼女は2016年12月25日に亡くなりました.
享年88歳でした.

逆境に負けない女性数学者

和田先生
数学の分野にも同じようなことがありました.

アマーリエ・エミー・ネーターは,女性の数学者であり,抽象代数学と理論物理学に大きく貢献したことで有名です.

こっしー君
名前を聞いたことがあります。
和田先生
彼女は,数学において,環・体・多元環の理論を発展させました.

また,物理学においては,ネーターの定理で,対称性と保存則の間の関係を説明しました.

こっしー君
どういう定理ですか?
和田先生
簡単に述べますと,

系に連続的な対称性がある場合は,それに対応する保存則が存在する

と述べる定理です.

1915年にネーターによって証明され,1918年に公表されました。

こっしー君
ネーターも,ヴェラ・ルービンと同じような苦労をしたのでしょうか?
和田先生
ネーターは,ドイツのエアランゲンで,ユダヤの家系に生まれました.
父親であるマックス・ネーターも同じ数学者です.

エアランゲン大学を卒業後,エアランゲン大学の数学研究所で7年間働きましたが,給料はもらえませんでした.
当時,女性は大学で正式な職につくことが難しかったのです.

こっしー君
ネーターも逆境を乗り越えて,功績を残した1人なのですね.

暗黒物質(dark matter)の発見

和田先生
話を戻しますと,このルービンの研究結果から,銀河には恒星などの電磁波を発する天体の総質量を遥かに上回る質量をもつ「暗黒物質」が存在することが示唆されました.
こっしー君
暗黒物質は,「dark matter」とも呼ばれていますね.
和田先生
光などの電磁波は,質量の大きい物体のそばを通るときには直進できず曲がるという,一般相対性理論により説明づけられる「重力レンズ効果」を用いて測定した結果,驚くべきことがわかりました.

光の曲がり方をたどると,どのようなレンズがあるかわかり,したがって,どのような質量があるかを分析することができるのです.

こっしー君
そこで存在するであろうとされたのが,現在も確認しようと研究が進められている「暗黒物質」ですね.
和田先生
そうです.
この方法で銀河団内の質量分布を測定したところ,銀河のないところにも質量(暗黒物質)があることがわかりました.

それだけではありません.
暗黒物質が存在するところに,通常の物質が存在していることがわかり,さらに,通常の物質の10倍もの総質量があることが分かったのです.

こっしー君
それは,つまりどういうことでしょうか?
和田先生
続きは次回お話しましょう.
次回は銀河団について,エネルギーで考えてみたいと思います。
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和田先生のプロフィール

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TMCシステムの研究責任者.電子情報通信学会の会員.
電気接点の劣化現象などに関する論文を多数執筆.
プライベートでは,ギター演奏・料理・読書と幅広い趣味を持つ.

こっしー君のプロフィール

越田さん120

TMCシステムの研究担当者.電子情報通信学会の会員.
得意分野は数学と機械工学.
趣味は読書.特技はペン習字.

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