KEK Cosmophysics Group studies mysteries of cosmology and of astronomical phenomena. Our aim is to clarify various events in the universe using the latest theory and observational facts and to predict yet-to-be-discovered phenomena within the reach of near-future observations. The targets of our researches can be broadly classified into cosmology, high-energy astrophysics, and physics of the early universe and astroparticles. By interacting across these categories, we try to clarify events in the universe and physics behind them from a multifaceted perspective. / KEK理論宇宙物理グループでは、宇宙論や宇宙における天体現象の謎を解明する研究を行っています。最先端の理論や観測事実などを通して宇宙で起きている現象を検証し、さらに将来発見されそうな未発見の宇宙現象を予言することを目標にしています。研究内容は主に、宇宙論、高エネルギー天体物理、初期宇宙・宇宙素粒子物理学に関する研究に分類できます。これらの分野を相互に関連させることにより、宇宙に起きている現象とその背後にある物理を多角的な視点から解明しようとしています。
Celestial astrophysics is one of important branches in astrophysics and astronomy that investigates celestial objects such as stars and galaxies. Our group focuses particularly on high-energy astronomical transients, a hot and fascinating topic in celestial astrophysics.
Credit: CERN
Various observations have revealed ubiquity in space and time of high-energy astronomical transients. The progress in multiwavelength electromagnetic observations enables us to recognize, e.g., supernova explosions having been observed from ancient times with the naked eye, gamma-ray bursts as the most energetic explosions in our universe, and fast radio bursts newly discovered in this century. These transients vividly tell us that our universe not only expands and cools but also serves as an arena of celestical activities. We would also like to mention much familiar high-energy astronomical phenomena, namely cosmic rays bombarding us everyday. They are particles such as protons and electrons accelerated to the speed comparable to that of light, and we can even find ultra-high-energy cosmic rays with their Lorentz factors reaching a hundred billion. These cosmic rays are understood to be accelerated originally in high-energy astronomical phenomena such as supernova explosions.
Credit: NASA
High-energy astrophysics has recently witnessed dramatic qualitative progress, and we are now entering a new era of astrophysics. That is, the opening of full-fledged multi-messenger astronomy has been marked with observations of gravitational waves and neutrinos, and we are beginning to investigate environments inaccessible with electromagnetic observations. A few tens years ago, detectors such as Kamiokande beneath the Kamioka mine catched neutrinos from a supernova explosion SN 1987A and confirmed the basic picture of supernovae developed relying on electromagnetic observations. Nowadays, IceCube utilizing the Antarctic ice is steadily detecting high-energy neutrinos, which are expected to give us the definitive answer to what is the origin of ultra-high-energy cosmic rays in the foreseeable future. Futhermore after 2015, laser-interferometric gravitational-wave detectors such as LIGO and Virgo have been detecting gravitational waves from binary black holes and binary neutron stars. In particular, a binary-neutron-star merger GW170817 was observed both in gravitational and electromagnetic radiation via a kind of "short gamma-ray bursts" and the kilonova/macronova associated with nucleosynthesis and subsequent decay of elements heavier than the iron, and taught us really a lot. We no longer question the utility of multi-messenger astronomy.
Credit: NASA
Still, we are on a long road toward understanding physical mechanisms behind high-energy astronomical phenomena. We have not yet fully comprehended the acceleration of cosmic rays, have not yet understood the central engines of supernovae and gamma-ray bursts, and have not yet pinned down enigmatic progenitors of fast radio bursts. A widely-accepted idea about high-energy astronomical transients is that a crucial role is played by strongly gravitating objects such as black holes and neutron stars. It is also noteworthy that the interior and/or surroundings of neutron stars are characterized by high density exceeding that of nuclei and strong magnetic fields that cannot be realized in terrestrial environments. Hence, understanding of high-energy astronomical phenomena requires our familiarity with various physics including general relativity, hydrodynamics, quantum theory, statistical mechanics, electromagnetism, etc. Furthermore, high-energy astronomical phenomena are frequently associated with non-equilibrium processes such as cosmic-ray acceleration and non-thermal radiation. It is real joy of astrophysics and worthwhile on its own to clarify high-energy astronomical phenomena making full use of established physics.
At the same time, high-energy astronomical phenomena sometimes play an important role as a probe to new physics via, e.g., extreme environmental conditions mentioned above. It is remarkable that pions predicted by Hideki Yukawa were found in an experimental search of cosmic rays in the middle of 20th century. We have a good chance of exploring fruitful physics with high-energy astronomical phenomena aided by the progress in multi-messenger astronomy. In particular, researchers are vigorously working on ambitious projects of studying physics beyond standard models such as dark matter, dark energy, and quantum gravity, using high-energy processes that cannot be realized by human experiments. It is also fascinating that very bright high-energy astronomical phenomena will allow us to survey the distant universe and to deepen our understanding of cosmology. These directions are developing frontiers of physics that could have inconceivable potential.
Credit: ESA
近年の宇宙観測は目覚しい進展を遂げています。最近では、これまでになく広い範囲の宇宙の姿を網羅的に調べられるようになり、宇宙の全体的な性質が詳細に明らかにされつつあります。1965年に初めて発見された宇宙マイクロ波背景放射(CMB)は宇宙がビッグバンによって始まったことを明らかにしました。そして1992年には観測衛星COBEによって初めてCMBの温度ゆらぎが発見され、現在の宇宙にある構造の起源も明らかになりました。2000年以降、観測衛星WMAPやPlanckによって詳細なCMB温度ゆらぎが調べられ、初期の宇宙に関して驚くほど細かな情報が得られました。
Credit: ESA
様々な天体に対する広い範囲の宇宙観測データが蓄積することにより、宇宙論は精密科学の仲間入りを果たしました。こうして得られた観測データは、私たちの宇宙がどのようにできているのかという宇宙論の基本的な問題を、実証的に研究する手段を与えてくれます。なぜビッグバンが起こり、なぜ宇宙がこれほど大きくなったのかを説明する有力な可能性としてインフレーション宇宙モデルがあります。理論的研究により、インフレーションを起こす様々な機構が提案されていますが、理論的にあり得る多数のモデルを選別するには観測との比較が欠かせません。インフレーション期に作られる量子ゆらぎが宇宙の初期密度ゆらぎとなり、それが現在の宇宙に見られるCMBゆらぎや大規模構造を作り出したと考えられています。また、宇宙が加速膨張しているということから、現在の宇宙にあるエネルギーの7割はダークエネルギーで占められていると考えられます。ダークエネルギーの実体はダークマターの正体とともに現在でも不明なままです。
Credit: NASA
例えば、インフレーション、ダークマター、ダークエネルギー、ニュートリノの質量と混合などは、素粒子の標準理論では説明することができないため、それらを説明するために、標準理論を越える理論が多数提案されています。インフレーションを引き起こすスカラー場は未発見です。ダークマターの候補には未発見の超対称粒子(ニュートラリーノ、右巻きスカラーニュートリノなど)、アクシオン、初期宇宙に作られた(原始)ブラックホールなどがあります。ダークエネルギーには未発見の(擬)スカラー場のポテンシャルエネルギーや新しい重力理論が関係しているかもしれません。それら理論を宇宙の他の観測などとの整合性を利用して検証することは、地上実験とは異なる、たいへんユニークで強力な手段なのです。
Credit: NASA
この学問分野は、最近の観測の急激な進展に呼応するように、ここ十数年ほどで急速に発展してきており、素粒子的宇宙論とか素粒子的宇宙物理学とも呼ばれます。このグループでは、理論センター内の他のグループや全国の理論研究者とも積極的な共同研究を通じて、連携をとりながら進めています。また、特にKEK内の実験グループ、例えば宇宙マイクロ波背景放射偏光の観測グループや、重力波観測グループとも、緊密な連携をとっています。上記のように、正しく宇宙論・宇宙物理を高エネルギー現象に適用するためには、宇宙物理と基礎物理の両方への深い理解と幅広い知識が要求されます。そのため、その目的のための人材育成を積極的に行なっています。
