●宇宙の年齢と始まり

ハッブル宇宙望遠鏡

ハッブル宇宙望遠鏡

宇宙の年齢
 天文学で20世紀最大の発見と言われる観測結果が、1929年、発表された。ウィルソン山天文台にある望遠鏡は口径2.5メートル。当時世界で最大であった。この望遠鏡で、アメリカの天文学者エドウィン・ハッブル(Edwin Powell Hubble 1889-1953)は、まず、アンドロメダ星雲を観測し、それが銀河系の外にある、まったく別の銀河であることを突き止めた。さらに、次々と新しい銀河を見つけ出し、その多くが、地球から猛スピードで遠ざかっていることを発見した。遠くの銀河は、どの方向にあるものも、すべて地球から遠ざかっていた。このことは何を意味するのであろうか。ハッブルは、宇宙は膨張していると結論付けた。これは、宇宙は静止していて、永遠に変わらないという、それまでの人類の考え方に、180度の転換を迫る大きな発見だった。  

 このハッブルの発見は、宇宙はいつ始まったのか、その謎を解く大きなヒントを与えた。宇宙が膨張していく過程をさかのぼれば、宇宙の始まりに、たどり着けるはずである。つまり銀河までの距離と、それが離れていく速度から逆算して、宇宙がいつ生まれたのかを知ることができるのである。この考えが正しいことを理論的に支持したのがロシア生まれの物理学者ジョージ・ガモフ(George Gamow 1904-1968)であった。ガモフは、いまから、およそ50年前、宇宙は一つの火の玉として生まれ、その後、膨張を続けているという「ビッグバン理論」を唱えた。  


 ガモフがビッグバン理論を発表してから半世紀 --- 多くの科学者が、宇宙はいつ始まったのか、その時期を特定しようと、さまざまな方法で研究を行ってきた。アメリカ・カーネギー研究所のウェンディ・フリードマン博士も、その一人である。フリードマン博士は、1999年、宇宙の年齢を特定したと発表して、世界中の専門家の注目を集めた。
 フリードマン博士曰く「銀河の遠ざかる速さと、地球からの距離が分かれば、距離を速さで割ることで、いつ膨張が始まったのか知ることができるのです。これは、宇宙の年齢を推定する、とてもシンプルな方法です。」
 地球に接近する天体は、実際より青く見え、遠ざかる天体は赤く見える。これはアインシュタインが相対性理論によって明らかにした「光のドップラー効果」という現象である。銀河が遠ざかる速さは、赤く見える度合い「赤方偏移」を詳しく調べることで特定できる。地球から、より速く遠ざかる銀河ほど赤く見えるというわけだ。現在、ほとんどすべての研究者が、この方法で銀河が遠ざかる速さを測っている。では、天体までの距離はどのようにして測るのだろうか?
 フリードマン博士曰く「銀河までの距離を知るために、私たちは『セファイド変光星』という特別な星を観測しました。この星は、とても興味深い特徴を持っています。見た目の明るさが、距離を正しく測るためのものさしとして使え、非常に便利な星なのです。」
 フリードマン博士がセファイド変光星を観測するために使ったのが、あのエドウィン・ハッブルの名前をつけた「ハッブル宇宙望遠鏡」であった。
 ハッブル宇宙望遠鏡は、1990年、スペースシャトルによって打ち上げられた。その究極の目的は、より遠くの天体を観測し、その天体までの距離を測ること、そして、宇宙がいつ生まれたのか知ることであった。ハッブル宇宙望遠鏡は、大気圏の外を回っているため、大気に邪魔されず、遠くのかすかな光もとらえることができる。地球から約1億800万光年の彼方にあると思われる銀河「NGC4603」をハッブル宇宙望遠鏡が撮影した画像の中に、セファイド変光星が、かすかにとらえられている。セファイド変光星とは、一定の周期で点滅を繰り返す特別な星である。フリードマン博士は、セファイド変光星を観測することで、地球と銀河との距離を割り出していった。セファイド変光星は、1日から100日程度の決まった周期で点滅する。同じ周期で点滅するセファイド変光星は、もとの明るさが、まったく同じであることが確認されている。しかし、地球から見ると、もとは同じ明るさでも、遠い天体ほど暗く見える(たとえば距離が2倍になれば明るさは4分の1になる)。その見かけの明るさを比べることで、二つの星の距離を相対的に知ることができる。すでに距離が分かっているセファイド変光星を基準にして、フリードマン博士は、遠い銀河のセファイド変光星までの距離を、次々と特定していった。かみのけ座の方向にあるM100銀河---フリードマン博士は、ハッブル宇宙望遠鏡を使って、この銀河を観測し、地球からの距離を測定した。2ヶ月に及んだ観測のうち、そのほとんどが、セファイド変光星を見つけだす作業に費やされたという。セファイド変光星を見つけるためには、定期的に観測を繰り返さなければならない。そして、撮影された画像を何枚も重ね合わせ、明るさが一定の周期で変わる星を見つけだす。フリードマン博士は、M100の中の4万個の星を一つ一つ観察し、20個のセファイド変光星を見つた。そしてそれぞれの点滅の周期を調べて、近い銀河のものと比較することで、M100までの距離を5600万光年と特定した。フリードマン博士はハッブル宇宙望遠鏡を使って、このような地道な作業を8年かけて行い、およそ、800個のセファイド変光星を観測したと言われる。そして、26個の銀河までの距離を次々と特定していった。それぞれの銀河の遠ざかる速さは、その赤く見える度合い「赤方偏移」から分かっている。遠ざかる速さと銀河までの距離が分かれば、26個の銀河が、過去のどの時点で一つの火の玉だったのか推定することができる。
 フリードマン博士曰く「私たちは、ちょうど映画のフィルムを逆回しするようにして、宇宙の歴史をさかのぼっていきました。いつ膨張が始まったのか、宇宙のファーストシーンを見ようとしたのです。そしてついに宇宙の年齢を特定しました。私たちは、宇宙は120億年前に生まれたと考えています。」  


 フリードマン博士とは別の種類の星を観察することで、宇宙の年齢を割り出した研究者がいる。マサチューセッツ州ケンブリッジのハーバード大学のロバート・カーシュナー博士である。彼が観測したのは「超新星」と呼ばれる天体である。超新星とは、最期の時を迎え大爆発した星のことである。ハッブル宇宙望遠鏡は、地球から近いマゼラン銀河に、超新星爆発の残骸を観測した。この天体は「1987A(17万光年)」と呼ばれる。重さが太陽の20倍もある大きな星が死を迎えたのである。爆発が観測されたのは、1987年であったが、吹き出されたガスが、いまも3本のリングになって残り、爆発の大きさを物語っている。
 カーシュナー博士曰く「宇宙の年齢を測定するのに、超新星が役立つ理由は、まず、その明るさにあります。太陽の、ほぼ10億倍も明るいので、遠くのものでも観測できるのです。そして、元々の明るさが、同じものを比べれば、見かけの明るさから、距離を推定することができるのです。」
 カーシュナー博士は、ハッブル宇宙望遠鏡を使って、数十億光年彼方の超新星を観測した。ある種の超新星は、明るさが一定だといわれている。そのため、宇宙望遠鏡で見た見かけの明るさを、地球から近い超新星と比較することで、その距離が分かる。フリードマン博士が、セファイド変光星を使ったのと同じ方法で、カーシュナー博士は超新星を観測し、より遠くの銀河の距離を測っている。
 カーシュナー博士曰く「近いものから、遠いものまで、およそ50個の超新星について、その距離を慎重に測定していきました。その超新星を含む銀河が遠ざかる速さは、光のドップラー効果で分かります。その速度と距離から、宇宙は140億歳だと推定したのです。」  


 直径25メートルのパラボラアンテナが27台ならぶ「アメリカ国立電波天文台(ニューメキシコ州ソッコロ)。ここでは、はるか彼方から届く電波をとらえ、宇宙の年齢を測定しようとする研究が進められている。
 ジェームズ・モーラン博士曰く「宇宙から届く電磁波には、X線から、目に見える光、また電波まで、さまざまな波長のものがあります。違う波長の電磁波で観測すると、違った宇宙の姿が見えるのです。」
 モーラン博士たちは、電波望遠鏡を結ぶ壮大なネットワークを使い観測を行っている。ハワイのマウナケアからカリブ海のバージン諸島まで、およそ8000キロメートルの間にある10ヶ所の天文台が、すべてのアンテナを同じ天体に向け、電波を受信する。これは直径8000キロメートルの巨大なアンテナで観測するのと同じ能力を発揮するといわれる。
 モーラン博士曰く「望遠鏡は口径が大きいほど解像度が高くなります。このネットワークは、他のどの望遠鏡より、300倍は解像度が高く、たとえていえば、アメリカ東海岸のボストンにいて、サンフランシスコの新聞が読めるほど、遠くの小さなものを見る能力があるのです。」
 この電波望遠鏡の観測精度を以下に示そう---M106銀河は、以前は地球から2億5000万光年離れていると考えられていた。この銀河の中心部分が放つ電波を10ヶ所の電波望遠鏡が受信した。その中で特に強い電波を発している「ガスのかたまり」の一点を正確にとらえた。10ヶ所の電波天文台が受信した電波は「アメリカ国立天文台コントロールセンター」に集められる。M106から集められた電波は、3年間にわたって、このコントロールセンターで継続して記録された。そうすることで、地球との距離を正確に測るとことができた。地球は太陽の周りを公転しているので、半年おいて観測すれば、三角測量の原理で、銀河までの正確な距離が分かる。こうして測ったM106銀河までの距離は、これまで考えられていた距離(2億5000万光年)よりも1500万光年も近いことが分かった(すなわちM106銀河までの距離は2億3500光年であった)。
 モーラン博士曰く「私たちから見える範囲の宇宙は、これまでの推測より、少し小さいのではないかと思います。したがって宇宙の年齢も、本当は、もう少し若いのではないでしょうか。私たちの観測では、宇宙はおよそ110億歳ということになります。」  

 いまから5年ほど前には、宇宙の年齢を80億年とするものから、200億年を超えるとするものまで、さまざまな説があった。しかし、その幅は、この5年間で急速に狭められてきた。セファイド変光星をものさしにして、銀河の距離を測ったフリードマン博士は、宇宙は120億歳だと発表した。超新星を観測し、遠い銀河の距離を求めたカーシュナー博士は、宇宙は140億年前に生まれたという。電波望遠鏡の巨大なネットワークを駆使するモーラン博士は、宇宙はもう少し若く110億歳だという。われわれは、まだ宇宙がいつ誕生したのか、正確に突き止めたとはいえない。しかし、最近の研究によって、宇宙の年齢は百数十億年というところまで絞り込まれてきた。


宇宙の始まり
 宇宙はいつ始まったのか、人類はその核心に、一歩一歩着実に迫っている。だが、もっと大きな謎が残っている。それは、宇宙は、いかにして生まれたのかという謎である。宇宙はいったいどのようにして生まれ、いまに至ったのか。宇宙誕生から、現在までの百数十億年を、最新の科学が描くシナリオにそって、たどってみることにしよう。
 宇宙は熱い火の玉として生まれたというビッグバン理論---発表されてから、およそ半世紀が過ぎ、いまでは多くの科学者に支持されている。そしていま、ビッグバンよりさらに時間をさかのぼって、それ以前に起こった現象を解き明かそうとする科学者たちがいる。マサチューセッツ州ケンブリッジのタフツ大学のアレキサンダー・ビレンケン博士も、その一人である。
 ビレンケン博士曰く「ビッグバン理論は、宇宙は火の玉として始まったと説明しましたが、その火の玉が、どうして生まれたかということについては、実は、なにも答えていないのです。科学には、その疑問に答える義務があります。そしてなにより、私自身が、その答えを知りたいと思いました。そのために、私は量子力学を研究し始めたのです。」
 宇宙は広大だが、その起源を探るためには、逆にミクロの世界の法則を知らなければならないと、ビレンケン博士は考えた。生まれたばかりの宇宙は、温度が高いため、あらゆる物質が、最小の単位、素粒子に分かれていたはずだからである。宇宙誕生の舞台---それは、一見何もないように見える「真空の世界」だったとビレンケン博士は考えている。完全な無の世界のように見えても、ミクロのレベルでは、私たちの想像を絶する出来事が起きていたというのである。
 ビレンケン博士曰く「ミクロの世界の力学---量子力学を、どんどん、突きつめていけば、宇宙は物質だけではなく、時間も空間もない『真空』の中で生まれたという答えに行き着きます。ミクロの世界の真空とは、何もない、空っぽの世界ではありません。そこでは常に、時間と空間、つまり『宇宙の種』が生まれては消えている---エネルギーに満ちた世界なのです。」
 量子論では、真空は何もない空間ではなく、プラスとマイナスが打ち消しあっている世界だと考えられている。そこでは、ミクロのレベルで見ると、常にエネルギーがゆらいでいる。そして、その「ゆらぎ」の中で、いわば宇宙の種となる物質が生まれることは、十分にあり得るというのだ。では、真空の中で生まれた宇宙の種は、どのようにしてビッグバンを引き起こしたのだろうか。実験や観測では知ることができない、その謎に、量子力学と相対性理論を使って、挑んでいるのが、東京大学の佐藤勝彦教授である。それは、想像することも難しい位、小さな世界で起こった出来事だと佐藤教授は考えている。
 佐藤教授曰く「無の状態から、量子論的効果で生まれた宇宙の大きさというのは、実は、10のマイナス34乗センチメートル程度なのです。陽子の大きさが、10のマイナス13乗センチメートル程度ですから、これと比べても、21桁も小さな宇宙だということになります。この生まれたての宇宙は、すぐに、2倍・4倍・8倍というふうにして大きくなるのですが、それが100回も繰り替えされると、われわれが住むことができるようなマクロな宇宙になることができるわけです。これにかかる時間は、実は、わずかに10のマイナス34乗秒程度なのです。」
 真空の中で生まれた宇宙の種の大きさは、わずか10-34cmといわれる。それは、百億分の1センチメートルの一兆分の一のさらに一兆分の一という想像を絶するほど小さい物質である。それが一瞬の内に、光の速さより、はるかに速い速度で膨張を始めたのだと佐藤教授は考えている。そして、その膨張が終わったときに、真空のエネルギーが、熱のエネルギーに変わったのである。このことが、ビッグバンを引き起こしたという。佐藤教授が考案した宇宙の歴史を表すモデルがある。このモデルによると、ビッグバンから現在まで、宇宙は膨張を続けていることが表されている。しかし、実は、ビッグバンより前に、宇宙はもっと急速に膨張した時期があるというのが、佐藤教授が主張する「インフレーション理論」である。この急速な膨張が、ビッグバンを引き起こしたというのである。この非常に短い時間に起こった「インフレーション」とは、どんなものだったのか---いま世界中の研究者が、その詳細を明らかにしようとしている。
 佐藤教授曰く「私たちが住んでいる、この世界が、いつ、どのようにして、生まれてきたのか---これは、人類の歴史が始まった頃から、われわれが、ずっと問い続けてきた大きな課題なわけです。ですから、神話や哲学などで、ずっと議論されてきた課題なのです。ところが、アインシュタインの相対性理論や世界を動かしている力を理解する理論---これらが進むことによって、初めて科学の言葉で、この世界の始まりを議論することができるようになったと思います。」  

 現在の宇宙を形作る物質が生まれたのは、「インフレーション」が終わり、ビッグバンが起こった直後だった。ビッグバンから10-34秒後、温度は、百兆度の百兆倍(1028度)という想像もできないほどの高温だった。この時すでに、すべての物質のもととなる「クオーク」が存在していた。同時に、光の粒子や電子も飛びかっていた。宇宙誕生の10万分の1秒後、自由に飛び回っていたクオークは、お互いに引き合って結合し、陽子や中性子を作る。3分後、温度は10億度になる。温度が下がったため、陽子や中性子が結合し、原子核を作る。宇宙誕生から30万年後、温度は4000度まで下がる。それまで自由に飛び回っていた電子は、原子核にとらえられて、水素、ヘリウムという原子が誕生する。そして、電子に進路をはばまれ、まっすぐに進めなかった光が、ようやく直進できるようになる。雲がかかっているような宇宙が晴れ上がり、光が射すようになった。この「宇宙の晴れ上がり」と呼ばれる現象が、宇宙誕生から30万年後に、確かに起こったという証拠を観測によって、とらえたという研究者がいる。カリフォルニア大学バークレー校のジョージ・スムート博士である。
 スムート博士曰く「私たちは、30万歳の宇宙をスナップ写真に収めたといっていいでしょう。人間に例えれば、受精後、わずか5時間後の胎児に相当します。」
 スムート博士は、1989年に打ち上げられた人工衛星「COBE(コービー)」で、宇宙のはるか彼方から届く、マイクロ波を観測した。「宇宙背景放射」と呼ばれるこのマイクロ波は、宇宙誕生から30万年後、宇宙が晴れ上がったときに、初めて真っ直ぐに進み始めた光である。それが、いまマイクロ波という形で、地球に届いているのだ。宇宙のあらゆる方向から届くこのマクロ波は、「宇宙誕生のこだま」とも呼ばれている。

宇宙背景放射

宇宙背景放射

 スムート博士曰く「この30万歳の宇宙は、直径がすでに30万光年以上あり、光より速いスピードで膨張したことになります。これを説明できるのは『インフレーション理論』だけです。」
 「COBE」が観測した画像では、色の違いは、温度の差を表している。青いところは物質の密度が濃く、温度が低いところ、赤いところは物質の密度が薄くて、温度がやや高いところである。その差は10万分の1度に過ぎない。ごくわずかな温度の違いがあったのだ。
 スムート博士曰く「宇宙は当時、全体的に均質だったようです。しかし、同時に、ごくわずかながら、物質の密度のムラがあったことも分かりました。このわずかなムラが時間とともに増幅され、星を生むもとになったのではないかと考えています。この画像を見たときには、まさに宇宙を作った神を見るような思いがして、とても感動したものです。」
 誕生から30万年後の宇宙に見られた、ごくわずかな物質のムラ---そこから、現在の星や銀河が生まれたのではないかと考えているのが、東北大学の谷口義明助教授である。谷口博士は、そのことを実証するため宇宙の初期に生まれた銀河を観測しようとしている。
 谷口博士曰く「宇宙誕生30万年後、すでに密度のゆらぎができています。密度の高いところでは、さらにその成長が進むわけで、だんだんガスの雲、ガスのかたまりといったものが、できてくるわけです。そういったものが、密度の高さのために、おたがいの重力で引き合って、さらに大きなガスの雲を作っていくということになります。それが、銀河の母胎に進化していくわけです。ですけど、そのときまでには、だいたい10億年から15億年ぐらいかかるということになります。」
 誕生後、およそ10億年から15億年までの宇宙をシミュレーションした映像では、小さなガスのかたまりが、たがいの重力で引き合い、無数の雲が、一つの大きな雲になっていく過程がよく分かる。この大きな雲の中で星が生まれ、やがて、銀河になっていったのである。
 谷口博士曰く「最初は、当然、ガスの密度が高いところで、星ができます。それはつまり、銀河の中心に近いところで、星ができることになります。銀河の中心に、いっぱい星を作ったとして、もしそのまわりに、まだ、非常に密度の高いガス雲が、取り囲んでたとすると、私たちは、その中心でできている星々を、とらえられない可能性があるわけです。ですから、もし、そういった生まれたての銀河を見ようと思うと、波長の長い赤外線で、銀河を探すしかなくなります。」
 谷口博士のグループは、大熊座の方向の天体の存在が、ほとんど確認されていなかった領域に、赤外線観測装置を向け、生まれたばかりの銀河の姿をとらえようとした。そのなかで赤く光って見えるのが、ガスにつつまれた幼い銀河である。およそ100億光年彼方にある、つまり100億年前の銀河の姿である。現在宇宙にある、すべての銀河は、ちょうどこのころに生まれたと考えられている。「COBE」がとらえた物質のムラが、その後どのような変化を遂げるのかシミュレーションした映像では、密度の濃いところに、どんどんガスが集まり、そこで生まれた銀河が、さらに、たがいに引き合い、衝突して、新しい大きな銀河を作っていく。最終的には、数万個の銀河の集団、巨大な銀河団ができあがる。
 谷口博士曰く「『COBE』が観測した誕生30万年後の宇宙には、密度のゆらぎがあったわけですが、それを種にして、どんどん、構造を作っていく---そういった歴史だったわけです。銀河の歴史を物語るとすれば、小さなガスのかたまりから出発して、ようやく10億年ぐらいかけて、銀河になって、それからまた、何百億年もすると、さらに銀河同士が、いっぱい合体して、一つの巨大な楕円銀河を、宇宙の中で、いっぱい作っていくという進化をしていくことになります。」
 私たちが住む宇宙は、百数十億年前に、ミクロの世界で生まれ、その後、さまざまな天体を生み出しながら、膨張を続けてきた。これが、最新の科学が描く宇宙の歴史なのである。それでは、膨張する宇宙の果てには、いったい何があるのだろうか。
 ビレンケン博士曰く「この宇宙は、地球の表面のようなものだと考えることができます。地球の表面は、有限ですが、果てはありません。宇宙もまったく同じです。ですから、ある方向に真っ直ぐ進むロケットは、やがて宇宙を一周し、もとの場所へ戻ってくることになります。」
 宇宙は、球の表面のようなものだというのである。たしかに、表面は有限だが、その上をどこまでいっても、果てはない。
 ビレンケン博士曰く「インフレーション理論を押し進めていけば、沢山の宇宙が存在しているという結論に達します。真空の宇宙では、宇宙の種が、いつでも生まれています。そのなかで、インフレーションを起こして、マクロな宇宙になったものが、私たちの宇宙だけだと考えるのは、非常に不自然なことです。」
 私たちの宇宙は、決してただ一つの宇宙ではなく、いまこの瞬間にも、どこかで別の宇宙が生まれているのかも知れないと、ビレンケン博士は考えている。しかも、一つの宇宙からは、子どもの宇宙や、孫の宇宙が生まれることも考えられるというのである。しかも、宇宙はいくつでも存在しうる---そのような宇宙は、宇宙を意味するユニバースという言葉を文字って『マルチバース』と呼ばれている。
 ビレンケン博士曰く「一つの宇宙には終わりがあります。その時、その中の星は燃え尽き、生命は絶滅するでしょう。しかし、それは、ある宇宙が終わりを迎えたということに過ぎません。新しい宇宙が、常に、どこかで生まれています。この宇宙誕生のプロセスは永遠に続くのです。」(サイエンスアイ「宇宙デジタル図鑑」NHKエンタープライズ 2000年より)  

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