TED日本語 - アニル・アナンサスワーミー: 極限の環境での天体物理学



TED日本語 - アニル・アナンサスワーミー: 極限の環境での天体物理学

TED Talks

What it takes to do extreme astrophysics
Anil Ananthaswamy




I would like to talk today about what I think is one of the greatest adventures human beings have embarked upon, which is the quest to understand the universe and our place in it. My own interest in this subject, and my passion for it, began rather accidentally. I had bought a copy of this book, "The Universe and Dr. Einstein" -- a used paperback from a secondhand bookstore in Seattle. A few years after that, in Bangalore, I was finding it hard to fall asleep one night, and I picked up this book, thinking it would put me to sleep in 10 minutes. And as it happened, I read it from midnight to five in the morning in one shot. And I was left with this intense feeling of awe and exhilaration at the universe and our own ability to understand as much as we do. And that feeling hasn't left me yet.

That feeling was the trigger for me to actually change my career -- from being a software engineer to become a science writer -- so that I could partake in the joy of science, and also the joy of communicating it to others. And that feeling also led me to a pilgrimage of sorts, to go literally to the ends of the earth to see telescopes, detectors, instruments that people are building, or have built, in order to probe the cosmos in greater and greater detail. So it took me from places like Chile -- the Atacama Desert in Chile -- to Siberia, to underground mines in the Japanese Alps, in Northern America, all the way to Antarctica and even to the South Pole.

And today I would like to share with you some images, some stories of these trips. I have been basically spending the last few years documenting the efforts of some extremely intrepid men and women who are putting, literally at times, their lives at stake working in some very remote and very hostile places so that they may gather the faintest signals from the cosmos in order for us to understand this universe.

And I first begin with a pie chart -- and I promise this is the only pie chart in the whole presentation -- but it sets up the state of our knowledge of the cosmos. All the theories in physics that we have today properly explain what is called normal matter -- the stuff that we're all made of -- and that's four percent of the universe. Astronomers and cosmologists and physicists think that there is something called dark matter in the universe, which makes up 23 percent of the universe, and something called dark energy, which permeates the fabric of space-time, that makes up another 73 percent. So if you look at this pie chart,96 percent of the universe, at this point in our exploration of it, is unknown or not well understood. And most of the experiments, telescopes that I went to see are in some way addressing this question, these two twin mysteries of dark matter and dark energy.

I will take you first to an underground mine in Northern Minnesota where people are looking for something called dark matter. And the idea here is that they are looking for a sign of a dark matter particle hitting one of their detectors. And the reason why they have to go underground is that, if you did this experiment on the surface of the Earth, the same experiment would be swamped by signals that could be created by things like cosmic rays, ambient radio activity, even our own bodies. You might not believe it, but even our own bodies are radioactive enough to disturb this experiment. So they go deep inside mines to find a kind of environmental silence that will allow them to hear the ping of a dark matter particle hitting their detector.

And I went to see one of these experiments, and this is actually -- you can barely see it, and the reason for that is it's entirely dark in there -- this is a cavern that was left behind by the miners who left this mine in 1960. And physicists came and started using it sometime in the 1980s. And the miners in the early part of the last century worked, literally, in candlelight. And today, you would see this inside the mine, half a mile underground. This is one of the largest underground labs in the world. And, among other things, they're looking for dark matter.

There is another way to search for dark matter, which is indirectly. If dark matter exists in our universe, in our galaxy, then these particles should be smashing together and producing other particles that we know about -- one of them being neutrinos. And neutrinos you can detect by the signature they leave when they hit water molecules. When a neutrino hits a water molecule it emits a kind of blue light, a flash of blue light, and by looking for this blue light, you can essentially understand something about the neutrino and then, indirectly, something about the dark matter that might have created this neutrino. But you need very, very large volumes of water in order to do this. You need something like tens of megatons of water -- almost a gigaton of water -- in order to have any chance of catching this neutrino. And where in the world would you find such water? Well the Russians have a tank in their own backyard.

This is Lake Baikal. It is the largest lake in the world. It's 800 km long. It's about 40 to 50 km wide in most places, and one to two kilometers deep. And what the Russians are doing is they're building these detectors and immersing them about a kilometer beneath the surface of the lake so that they can watch for these flashes of blue light. And this is the scene that greeted me when I landed there. This is Lake Baikal in the peak of the Siberian winter. The lake is entirely frozen. And the line of black dots that you see in the background, that's the ice camp where the physicists are working. The reason why they have to work in winter is because they don't have the money to work in summer and spring, which, if they did that, they would need ships and submersibles to do their work. So they wait until winter -- the lake is completely frozen over -- and they use this meter-thick ice as a platform on which to establish their ice camp and do their work.

So this is the Russians working on the ice in the peak of the Siberian winter. They have to drill holes in the ice, dive down into the water -- cold, cold water -- to get hold of the instrument, bring it up, do any repairs and maintenance that they need to do, put it back and get out before the ice melts. Because that phase of solid ice lasts for two months and it's full of cracks. And you have to imagine, there's an entire sea-like lake underneath, moving. I still don't understand this one Russian man working in his bare chest, but that tells you how hard he was working. And these people, a handful of people, have been working for 20 years, looking for particles that may or may not exist. And they have dedicated their lives to it. And just to give you an idea, they have spent 20 million over 20 years. It's very harsh conditions. They work on a shoestring budget. The toilets there are literally holes in the ground covered with a wooden shack. And it's that basic, but they do this every year.

From Siberia to the Atacama Desert in Chile, to see something called The Very Large Telescope. The Very Large Telescope is one of these things that astronomers do -- they name their telescopes rather unimaginatively. I can tell you for a fact, that the next one that they're planning is called The Extremely Large Telescope. (Laughter) And you wouldn't believe it, but the one after that is going to be called The Overwhelmingly Large Telescope. But nonetheless, it's an extraordinary piece of engineering. These are four 8.2 meter telescopes. And these telescopes, among other things, they're being used to study how the expansion of the universe is changing with time. And the more you understand that, the better you would understand what this dark energy that the universe is made of is all about.

And one piece of engineering that I want to leave you with as regards this telescope is the mirror. Each mirror, there are four of them, is made of a single piece of glass, a monolithic piece of high-tech ceramic, that has been ground down and polished to such accuracy that the only way to understand what that is is [ to ] imagine a city like Paris, with all its buildings and the Eiffel Tower, if you grind down Paris to that kind of accuracy, you would be left with bumps that are one millimeter high. And that's the kind of polishing that these mirrors have endured. An extraordinary set of telescopes. Here's another view of the same. The reason why you have to build these telescopes in places like the Atacama Desert is because of the high altitude desert. The dry air is really good for telescopes, and also, the cloud cover is below the summit of these mountains so that the telescopes have about 300 days of clear skies.

Finally, I want to take you to Antarctica. I want to spend most of my time on this part of the world. This is cosmology's final frontier. Some of the most amazing experiments, some of the most extreme experiments, are being done in Antarctica. I was there to view something called a long-duration balloon flight, which basically takes telescopes and instruments all the way to the upper atmosphere, the upper stratosphere,40 km up. And that's where they do their experiments, and then the balloon, the payload, is brought down. So this is us landing on the Ross Ice Shelf in Antarctica. That's an American C-17 cargo plane that flew us from New Zealand to McMurdo in Antarctica. And here we are about to board our bus. And I don't know if you can read the lettering, but it says, "Ivan the Terribus." And that's taking us to McMurdo.

And this is the scene that greets you in McMurdo. And you barely might be able to make out this hut here. This hut was built by Robert Falcon Scott and his men when they first came to Antarctica on their first expedition to go to the South Pole. Because it's so cold, the entire contents of that hut is still as they left it, with the remnants of the last meal they cooked still there. It's an extraordinary place. This is McMurdo itself. About a thousand people work here in summer, and about 200 in winter when it's completely dark for six months.

I was here to see the launch of this particular type of instrument. This is a cosmic ray experiment that has been launched all the way to the upper-stratosphere to an altitude of 40 km. What I want you to imagine is this is two tons in weight. So you're using a balloon to carry something that is two tons all the way to an altitude of 40 km. And the engineers, the technicians, the physicists have all got to assemble on the Ross Ice Shelf, because Antarctica -- I won't go into the reasons why -- but it's one of the most favorable places for doing these balloon launches, except for the weather. The weather, as you can imagine, this is summer, and you're standing on 200 ft of ice. And there's a volcano behind, which has glaciers at the very top. And what they have to do is they have to assemble the entire balloon -- the fabric, parachute and everything -- on the ice and then fill it up with helium. And that process takes about two hours.

And the weather can change as they're putting together this whole assembly. For instance, here they are laying down the balloon fabric behind, which is eventually going to be filled up with helium. Those two trucks you see at the very end carry 12 tanks each of compressed helium. Now, in case the weather changes before the launch, they have to actually pack everything back up into their boxes and take it out back to McMurdo Station. And this particular balloon, because it has to launch two tons of weight, is an extremely huge balloon. The fabric alone weighs two tons. In order to minimize the weight, it's very thin, it's as thin as a sandwich wrapper. And if they have to pack it back, they have to put it into boxes and stamp on it so that it fits into the box again -- except, when they did it first, it would have been done in Texas. Here, they can't do it with the kind shoes they're wearing, so they have to take their shoes off, get barefoot into the boxes, in this cold, and do that kind of work. That's the kind of dedication these people have.

Here's the balloon being filled up with helium, and you can see it's a gorgeous sight. Here's a scene that shows you the balloon and the payload end-to-end. So the balloon is being filled up with helium on the left-hand side, and the fabric actually runs all the way to the middle where there's a piece of electronics and explosives being connected to a parachute, and then the parachute is then connected to the payload. And remember, all this wiring is being done by people in extreme cold, in sub-zero temperatures. They're wearing about 15 kg of clothing and stuff, but they have to take their gloves off in order to do that. And I would like to share with you a launch.

(Video) Radio: Okay, release the balloon, release the balloon, release the balloon.

Anil Ananthaswamy: And I'll finally like to leave you with two images. This is an observatory in the Himalayas, in Ladakh in India. And the thing I want you to look at here is the telescope on the right-hand side. And on the far left there is a 400 year-old Buddhist monastery. This is a close-up of the Buddhist monastery. And I was struck by the juxtaposition of these two enormous disciplines that humanity has. One is exploring the cosmos on the outside, and the other one is exploring our interior being. And both require silence of some sort.

And what struck me was every place that I went to to see these telescopes, the astronomers and cosmologists are in search of a certain kind of silence, whether it's silence from radio pollution or light pollution or whatever. And it was very obvious that, if we destroy these silent places on Earth, we will be stuck on a planet without the ability to look outwards, because we will not be able to understand the signals that come from outer space.

Thank you.


これから皆さんに 人類が乗り出した 最大の冒険の1つである 宇宙と その中での我々の歩みを 理解しようとする探求についてお話しします 私がこのテーマに惹かれ 情熱を抱くようになったのは 偶然でした 「相対論はいかにしてつくられたか」という 中古のペーパーバックを 以前 シアトルの古本屋で買いました 数年後 バンガロールで ある晩 寝つけなくて この本を読めば10分で眠れるだろうと 手に取りました でも実際には 真夜中から朝5時まで一気に読み通しました そこから私が強く感じたのは 宇宙と 宇宙を可能な限り理解しようとする 人間の能力に対する 畏敬と高揚感でした その思いは今も抱いています

その思いに突き動かされ 私はキャリアを変えました - ソフトウェア・エンジニアからサイエンス・ライターへ - 科学がもたらす喜びと それを人々に伝える喜びに 関わりたかったのです その思いはまた 私を巡礼の旅へと導きました 地の果てを訪れ 宇宙をより精細に観測するために 建造された あるいは建設中の 望遠鏡や探知機を 訪ねる旅です 訪れたのは チリのアタカマ砂漠や シベリア 日本アルプスや北米の 地下鉱山 そして南極大陸 果ては南極点にまで行きました

今日は皆さんに その旅からの写真や物語をお話ししたいと思います 私はこの数年間 途方もなく勇敢な人々の挑戦を 記録してきました 宇宙を理解するために 時には 文字通り命をかけて 隔絶された危険な場所で働きながら 宇宙からのかすかな信号を集めようとする 人々のことです

まず この円グラフを見て下さい 私の話の中で 出てくるグラフはこれだけです 私たちの宇宙に対する理解度がわかります 現在の物理学の理論は 私たち自身もその一部である 通常の物質についてはよく説明しています でもそれは宇宙の4%でしかありません 天文学者や宇宙学者 物理学者たちは 宇宙にはダークマターというものがあり それが宇宙の23%を構成し そして ダークエネルギーと呼ばれるものが 時空を満たし 残りの73%を占めている と考えています 円グラフで説明すると 宇宙の96%は 現代の私たちにとって 全く あるいはほとんど わかっていないのです 私が見に行った実験や望遠鏡の多くは 何らかの形で ダークマターとダークエネルギーという 2つの謎に取り組んでいます

まずはミネソタ州の北部にある 地下鉱山から見て行きましょう 研究者たちが ダークマターを探しています ここでは ダークマターの粒子が探知機にぶつかる 痕跡を見つけようとしています 地下を利用するのには理由があります 地上で実験すると 同じ実験でも 宇宙線や電波などに 妨害されてしまいます 信じられないかもしれませんが 人体でさえ 実験を台無しにするだけの放射能を帯びています だから鉱山の奥深くに分け入り ダークマターの粒子が探知機にぶつかるのを 検出できるような 静かな環境を探すのです

そんな実験の1つを見に行きました 実際には 完全に真っ暗なので ほとんど見ることができませんが この洞窟は1960年に閉鎖された 鉱山です 1980年代から 物理学者が使っています 20世紀初頭の鉱夫たちは ロウソクの光で働いていました 今では地下800mにある鉱山の内部を 見ることができます ここは世界最大級の地下研究所です 第一の目的はダークマターを見つけることです

ダークマターの探査には別の方法もあります 間接的な検出です この宇宙にダークマターが 存在するならば その粒子がぶつかり合って 私たちも知っている別の粒子を作るはずです その1つがニュートリノです ニュートリノは 水分子にぶつかる際の痕跡を 検出することができます ニュートリノが水分子にぶつかると 青い光を放ちます 一瞬青く光るのです その青い光を探すことで ニュートリノについて知ることができ そのニュートリノを作ったかもしれないダークマターのことも 間接的に知ることができます でも そうするためには 非常に大量の水が必要です こうしてニュートリノを検出するためには 何千万トン、もしくは10億トン近い水が 必要になるでしょう 世界のどこにそんな水があるのでしょうか? ロシア人たちは自国に水槽を持っています

バイカル湖です 世界最大の貯水量を持つ湖で 長さが[600]キロ 幅は大体40?50キロ そして深さが1?2キロあります ロシア人は ここに探知機を作り 水面下1キロほどのところに沈めて 青い光を検出しようとしています 私が訪れた時の写真です シベリアにあるバイカル湖の 真冬の光景です 湖は完全に凍っています 後ろに見える 黒い点のつながりが 物理学者が働いている氷のキャンプです 冬に研究を行うのは 春や夏に活動する資金がないからです 冬以外の季節だと 船や潜水艇が必要になります それで 冬に湖が完全に凍るのを待って 1メートルの厚さの氷を使い 研究を行う氷のキャンプの土台を作ります

ロシア人たちはシベリアの真冬の中 氷の上で働いているのです 彼らは 氷に穴をあけ 冷たい水の中を潜ります 装置を引き揚げて 必要な修理や手入れを行い 氷が解ける前に それを水中に戻して立ち退かなければなりません 氷が安定しているのは2ヶ月しかなく あちこちにひびがあります 海のように巨大な湖が 下の方で動いているのを 想像してみて下さい 信じられないことに 胸をはだけて作業している ロシア人の男性もいました それだけ重労働だということなのでしょう 少数の人々は 存在するかどうかわからない粒子を探して 20年間 研究を続けています 人生を捧げているのです ちなみに 彼らが使ったのは20年で18億円程度です 非常に厳しい状況です わずかな予算で働いています トイレは地面に掘った穴を 木の小屋で覆っています こんな状況での研究を 毎年行っています

シベリアの次は チリのアタカマ砂漠にある 超大型望遠鏡の話をしましょう この望遠鏡は 天文学者の仕事にはありがちなのですが 想像力に欠ける名前がつけられています 事実としてお伝えしますが 次に計画されているのは「極大望遠鏡」と呼ばれています (笑) そして 信じられないでしょうが その次は「圧倒的巨大望遠鏡」です それはともかく この望遠鏡は工学の粋を集めて作られました 口径8.2mの望遠鏡が4台あります この望遠鏡の最大の目的は 宇宙の膨張が 時の経過とともに どのように変化するのかを調べることです その理解が深まれば 宇宙を構成する ダークエネルギーについての理解も深まるでしょう

この望遠鏡についてお伝えしたい 工学的な特徴は その鏡です 4枚ある鏡はいずれも 1枚のガラス素材でできています 高度な技術を要する巨大なセラミックガラスで とても精密に研磨されています どれほど精密かと言うと 例えばパリには いろいろな建物やエッフェル塔がありますが もしパリを同じ精密さで研磨したならば 1ミリの高さの突起しか残らないでしょう 超巨大望遠鏡の鏡はそれ程精密に研磨されています 驚くべき望遠鏡です 見方を変えてみましょう この望遠鏡を アタカマ砂漠のような場所に 作らなければならなかったのは アタカマ砂漠が高所にあるからです 乾燥した空気は観測に適していますし 雲は山の頂上よりも下の方にできます だからこの場所は 年に300日程度は好天に恵まれます

では最後に 南極にお連れしましょう 南極のことにたくさん時間を使いたいのです 南極は宇宙論の最後のフロンティアです 最もすごい実験や 最も驚くべき実験の一部は 南極で行われています 長期間気球飛行という実験を見に行きました 望遠鏡と観測器具を 地上40キロほどの 上部成層圏に持って行き そこで実験を行って 気球と観測機器を回収します ロス棚氷に上陸しているところです アメリカのC-17輸送機が ニュージーランドから 南極のマクマードまで運んでくれました そこからバスに乗ります 文字が読めるかどうかわかりませんが 「イワン雷帝バス」と書いてあります そしてマクマード基地に行きます

基地の入り口の様子です この小屋が何か きっとおわかりではないでしょう これはスコットが最初に南極に来た時に 南極点に向けた第1回目の探検の途上で 建てられた小屋です あまりに寒いので 小屋の中はスコット隊が残したままになっています 最後の料理の食べ残しもそのままです 驚くべき場所です マクマード基地では 夏には1,000人ほど そして 夜が半年続く冬には 200人ほどが働いています

私は この特殊な機材の打ち上げを見るために ここを訪れました 高度40キロの上部成層圏まで 打ち上げて行われる 宇宙線の実験です 想像してみて下さい この機材は2トンの重さがあります 気球を使って 2トンの機材を 40キロの高さまで持ち上げるのです 工学者や技術者 物理学者たちが ロス棚氷の上で組み立て作業を行います 理由については述べませんが 気球の打ち上げに最も適した場所なのです 天候を除いては おわかりだと思いますが 季節は夏 高さ60メートルの氷の上です 後方には火山があり 頂上は氷河になっています ここでの作業は 気球全体 - 布地 パラシュートなど全て - を 氷上で組み立て ヘリウムを入れます 2時間ぐらいかかります

組み立てを行っている間に天気が変わることもあります ここでは 気球の布地を地面に横たえ ヘリウムを注入しようとしています 後方にある2台のトラックに タンク12本分の圧縮ヘリウムが積まれています 打ち上げの前に天気が変わった場合は 全てを箱に戻し マクマード基地に持ち帰らねばなりません この特別な気球は 2トンの重さの機材を運ぶので とてつもない大きさになっています 布地だけで2トンあります 出来る限り軽くするため布地はサンドイッチの ラップと同じぐらい薄くなっています 布地をしまい直すには 箱に戻して 中に収まるよう上から踏まなくてはなりません 最初にそれをした時は テキサスだったので問題ありませんでしたが 南極では 防寒用の靴を履いていると踏めません だから 酷寒の中 靴を脱いで 裸足で箱に押し込むという 作業を行います 南極で働く人たちはそれほど献身的なのです

気球がヘリウムで膨らんでいるところです 美しい景色ですね この場面では 気球と積み荷が反対側に見えます 左側の気球にヘリウムが注入され 布地は真ん中まで続いており そこには電子機器と爆薬が パラシュートにつながれていて パラシュートが実験器具に結ばれています こうした接続は 氷点下の寒さの中 人の手で行われています 15キロほどの重さがある服を着ていますが 作業時には手袋を外します では 打ち上げの模様を見てみましょう

(映像)無線:いいぞ 気球を放して 気球を放して

アニル: 最後に写真を2枚お見せします インドのラダックにあるヒマラヤ山中の観測所です 右側を見て下さい 望遠鏡があります そして左側 遙か向こうにあるのは 400年前に建てられた仏教の修道院です こちらは修道院を近くで撮った写真です 人間が持つ2つの巨大な領域が 並んで存在していることに衝撃を受けました 1つは外界である宇宙を探査し もう1つは 自己の内面を探るものですが どちらも ある種の静けさを必要とします

私が心打たれたのは 巨大望遠鏡をめぐる旅の中で 天文学者や宇宙学者が常に ある種の静けさを探していたことです それは 電波からの静けさであったり 光からの静けさであったりします こうした静かな場所を破壊してしまうと 宇宙から来る信号を理解することが 出来なくなり 私たちは 外の世界を見ることができなくなってしまうでしょう



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