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宇宙の謎を解き明かす【宇宙論】の研究! 誕生と終焉、ダークマターの正体は?

宇宙には想像もつかない不思議な現象が起こります。それらを研究することで、宇宙の始まりや終わりを解明する、あるいは宇宙の法則、謎を解き明かそうというのが「宇宙論」です。今回は宇宙論について解説します。

宇宙で起こる現象を研究する「宇宙論」

約138億年前に誕生したとされる、私たちの宇宙。宇宙論では、「どのようにしてこの宇宙が生まれたのか」「なぜこのような姿をしているのか」などを研究します。宇宙の歴史はあまりにも長いため、観測だけでなくコンピューターシミュレーションも用いられます。シミュレーションによって、何億年にもわたる星の動きなどを見るのです。

そして突拍子もないアイデアから研究が進むことが多いのもこの分野のおもしろいところです。例えば、無の状態からビッグバンが起こってこの宇宙が生まれたという「ビッグバン理論」。これは、アルバート・アインシュタインの相対性理論を突き詰めていくと「宇宙は膨張していく」と考えられたことから、「逆に時間をさかのぼったらどうなる?」と思いついた天文学者ジョルジュ・ルメートルの疑問がもとになって生まれたものです。

アインシュタインも間違えていた「宇宙の膨張」

しかし相対性理論の生みの親であるアインシュタイン自身は「宇宙は不変。膨張などしない」と考えていました。そのため、宇宙の法則を示す数式の中に「宇宙定数」という仮の値を挿入することで調整し、無理やり「宇宙は不変である」としていたほどです。

ところが1929年、遠くにある銀河ほど高速に遠ざかっていることを観測したエドウィン・ハッブルによって、宇宙が膨張していることが証明されました。それを知ったアインシュタインは「宇宙定数を挿入したのは人生最大の過ちだった」と後悔したそうです。

アンテナの研究から証明されたビッグバン

1940年代になるとジョージ・ガモフらがビッグバン理論として提唱しましたが、当時はなかなか受け入れられない時代でした。ビッグバンが本当に起こっていたと証明できたのは、もうしばらく後のこと。宇宙とはまったく関係のない分野である、アンテナの研究がきっかけでした。

1960年代、アメリカのベル電話研究所では「アンテナをどの方向に向けても、わずかな電波ノイズを拾ってしまう」という問題に頭を悩ませていました。アンテナに問題があるのではないかと改善を試みても解決できず、原因不明の現象として発表したところ、宇宙物理学者たちが「このノイズこそビッグバンの名残ではないか」と飛びついたのです。

そして「宇宙マイクロ波背景放射」と名付けられた、このノイズによってビッグバンは本当に起こっていたと認められることになりました。

日本人研究者が提唱した、ビッグバン直前の出来事

宇宙論では、海外の研究者の名前が目立ちます。しかし日本人が率先したもので、世界から高く評価されている研究もあります。そのひとつが東京大学 名誉教授の佐藤勝彦氏が1981年に提唱した「インフレーション理論」です。

よく「ビッグバンによってこの宇宙は始まった」といわれますが、なぜビッグバンのようなものが起こったのかは謎のままでした。それを解決したのがインフレーション(急膨張)理論です。

この宇宙が誕生した瞬間から「10のマイナス36乗秒後から10のマイナス34乗秒後」という非常に短い間に、高いエネルギーに満ちた真空が低いエネルギーの真空に相転移するという現象が起こり、時空が急膨張しました。そのときに膨大なエネルギーが放出され、ビッグバンが生じたというのがインフレーション理論による説明です。

「インフレーション理論」ビッグバン直前の一瞬を説く:東京大学
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/features/f_00066.html

日本にある観測機器カミオカンデ、その後継のスーパーカミオカンデを使ったニュートリノという素粒子の研究も有名です。2002年に小柴昌俊氏、2015年に梶田隆章氏にノーベル物理学賞が贈られています。これはニュートリノ天文学という一分野を築いています。

<梶田隆章「ニュートリノの小さい質量」ー梶田隆章教授ノーベル賞受賞記念講演会>

なお、江戸時代に日本地図を作った伊能忠敬も、実は天文学者でした。地図を作るのは幕府の許可を得るための名目であり、地球のサイズを知るための測量を目的に日本中を歩き回っていたのでした。昼間は歩いて距離を測り、夜になれば星を観測して地球のサイズを計算するという、とんでもない超人だったのです。

なぜ、何億光年もかなたの現象を、地球で研究できる?

このように約138億年前に起こったビッグバンの現象をしたり、何億光年先にある宇宙について研究したりできるのはなぜでしょうか。

その答えは「この地球も、はるか遠くにある宇宙も、同じ法則で動いている」と考えているからです。例えば、この宇宙に存在する物質には、重力(引力)、電磁気力、強い力、弱い力という4種類の力が作用しています。

その4種類の力であらゆる現象が起こっているという前提があるからこそ、大昔、かなたの宇宙で起こっているさまざま現象を地球にいながらにして研究できるわけです。

「新発見から新たな謎が生まれる」宇宙論のおもしろさ

宇宙を観測していると、ときどき大発見がなされ、そこからさらに新しい謎が生まれることはよくあることです。研究者たちが取り組んでいるいくつかの謎を紹介しましょう。

この宇宙を形成したのはダークマターの力?

銀河はどのように回転しているのでしょうか。かつては「内側の星は高速に回転し、外側になるほどゆっくり回るもの」と推測されていました。ところが銀河の回転速度が観測できるようになると、意外なことに「内側も外側もほぼ一定のスピードで回っている」という結果が出たのです。

銀河を回る速度は、銀河全体の質量で決まるもの。もし観測結果の通りのスピードで回っているとしたら、銀河全体の質量は想定よりもはるかに重くなくてはいけません。そこから「目に見えないが、質量を持つ物質」が大量にあると考えられ、ダークマター(暗黒物質)と呼ばれるようになりました。

ダークマターが大量に存在すると仮定することは、いろいろな謎の解明につながりました。例えば、星や銀河ができる理由。かつては物質が重力で集まった結果星が作られたとされていましたが、大きな質量を持つダークマターによって物質が引き寄せられて星が作られた、つまりダークマターの多いところに星が生まれたと考えられるようになったのです。

また銀河団の大規模構造も同様です。私たちの住む天の川銀河の周辺には、数多くの他の銀河が集まって、巨大な銀河団を構成しています。その銀河団の地図を作ると、バブル(泡)状に銀河の集団ができていたのです。なぜそのような構造をしているのかは長年の疑問でしたが、これもダークマターを使うことで理論的に説明できるようになりました。

しかし、肝心のダークマターの正体はいまだ不明なままで、世界各地の大学や機関が研究を続けています。

<吉田直紀「宇宙のダークマター」ー高校生のための東京大学オープンキャンパス2018 模擬講義>

宇宙はどうやって終焉を迎える? 

このまま膨張を続けていくと、最期はどうなるのでしょうか。これは宇宙の膨張スピードの観測から、ある程度予想できています。

観測によると、宇宙膨張のスピードは、徐々に下がっていました。この宇宙の内部にある通常の物質とダークマターの持つ質量により生まれる重力によって、膨張にブレーキがかけられているからです。そしてそのまま減速していけば、いつかは膨張から収縮に転じるはずでした。

不思議なことに、その減速が緩やかになり、途中から加速へと切り替わっていたこともわかったのです。このままどんどん加速していくとどうなるのでしょう。一説では、物質をつなぎとめる力の限界を超えて引き伸ばされ、物質が素粒子のレベルまでバラバラに分解される「ビッグリップ」を迎えるとされています。

宇宙を膨張させていたのはダークエネルギー

ところで宇宙の膨張を減速から加速へと変化させるには、何らかのエネルギーが必要です。何の理由もなく加速することはありえないからです。しかし現時点ではその要因がまったくわからないので、ダークエネルギー(暗黒エネルギー)と名付けられ、その謎を探る研究は世界中で取り組まれています。

「加速膨張する宇宙」2011年ノーベル物理学賞の意義・前編(高エネルギー加速器研究機構)
https://www.kek.jp/ja/newsroom/2011/12/16/1600/

ダークエネルギーによって、アインシュタインに最大の過ちとされた宇宙定数が再注目されることになったのは不思議な縁といえます。「宇宙は膨張しない」とするために用いられた宇宙定数が、今は「宇宙が膨張する計算に用いられる」とあらためて評価されているのです。

宇宙の物質、95%は謎のまま

ダークマター、ダークエネルギーの正体が何なのかはわかっていませんが、それらが周囲に及ぼしている影響の大きさなどを観測して、ダークマター、ダークエネルギーが、この宇宙にどれくらい分布しているかを試算する研究は進んでいます。

その結果は、私たちの目に見える通常物質はわずか5%に過ぎず、ダークマターが25%、残りの7割をダークエネルギーが占めているというものでした。なにしろダークマターは星や銀河を作るだけの力を持っています。ダークエネルギーはこの宇宙全体の空間を膨張させるほどの力です。それを考えると、私たちに知覚できる物質がわずか5%という説もうなずけるのではないでしょうか。

そして「95%は謎のまま」ということは、まだまだ研究されていない領域がそれだけ残されているということでもあるのです。

「宇宙論」の研究は、暮らしに役立つ?

ところで宇宙の研究が私たちの暮らしに何の役に立つのかという疑問を持つ人もいるでしょう。しかし、衛星利用測位システム(GPS)やカーナビ、原子力発電も、その原理はアインシュタインの相対性理論です。一見、私たちに関係のないように思える宇宙の研究によって発見したものが私たちの生活に豊かさをもたらすこともあるのです。

もしダークエネルギーを人類が活用できるようになったら、エネルギー問題から永遠に解き放たれたりするのかもしれませんね。

「宇宙論」を学べる大学の学部、学科

天文学、物理学、素粒子論などから構成される宇宙論は、理工系の物理学科、宇宙物理学科、天文学科などで学べます。

東京大学には、宇宙の始まりについて研究する「ビッグバン宇宙国際研究センター」という拠点を持っています。また岐阜県にある観測装置「スーパーカミオカンデ」を運営しているのも、東京大学の宇宙線研究所です。

東京大学 ビッグバン宇宙国際研究センター
http://www.resceu.s.u-tokyo.ac.jp/top.php