何千年にもわたる宇宙の探究を経て、科学者たちはついにビッグバンを解明した。

はじめに: 現代天文学では、私たちが住む宇宙はビッグバンから誕生し、爆発から 138 億年経った今も宇宙は膨張し続けていると考えられています。天文学者はどのようにして宇宙がビッグバンから始まったと判断するのでしょうか?宇宙が膨張していることはどうやって発見されたのでしょうか?

ハッブル宇宙望遠鏡によるこの画像には、多くの遠方の銀河が写っています。そのうちのいくつかは、ビッグバンからわずか 6 億年後に形成されました。

私たちは、宇宙が地球を含むすべての時間と空間、そしてすべての天体の総和であることを知っています。宇宙はとても広大で、私たち人間はその中に生きる小さな生き物にすぎません。

古代人の目から見た宇宙

宇宙に関して、人類は古来より知りたいという強い欲求を抱いてきました。私たちの宇宙はどのように見えるでしょうか?

中国の後漢末期に張衡という偉大な学者がいました。彼は「天体は弾丸のように丸く、地球は空に孤立した卵の黄身のようなものだ」という見解を提唱した。これは、空が丸く、地球が卵の黄身のように空の中心にぽつんと位置していることを意味します。張衡の見解は後に「渾天説」と呼ばれるようになり、古代中国人が抱いていた宇宙観を簡潔かつ明瞭に表したものである。

西洋の古代ギリシャでも、学者たちは宇宙についての独自の見解を提唱しました。たとえば、ピタゴラスは孔子とほぼ同じ時代の紀元前 6 世紀に生きていました。ピタゴラスは、宇宙のすべての天体、そして私たちが住む地球は球形であり、球形が最も完璧な形であると信じていました。

ハッブルの発見：銀河は私たちから遠ざかっている

現代では、科学的な論理的思考や研究方法が発達し、宇宙の理解は科学の時代に入りました。現代の宇宙論に最も大きな貢献をした人物は、アメリカの天文学者エドウィン・ハッブルです。

アメリカの天文学者エドウィン・ハッブル

ハッブルは作家マーク・トウェインと同じ故郷であるアメリカ・ミズーリ州で生まれました。高校生の頃、ハッブルは学業とスポーツで優秀な生徒でした。ハッブルの8歳の誕生日に、祖父は彼に天体望遠鏡を贈った。ハッブルは自宅の裏庭で一晩中星を眺めていた。それ以来、彼は天文学に非常に興味を持つようになりました。

その後、シカゴ大学で天文学と数学を学び、法律を学ぶためにイギリスに渡りました。アメリカに帰国後、彼は天文学者としてのキャリアをスタートさせた。

1919年、ハッブルはカリフォルニアのウィルソン山天文台に到着しました。ここで彼は、銀河系外銀河とも呼ばれる天の川銀河の外側にある銀河の研究を始め、これらの銀河のスペクトル赤方偏移現象に焦点を当てました。

スペクトルとは何ですか?

空に虹がかかっているのを見たことがありますか？実際、それは太陽光のスペクトルです。白色光線がガラスプリズムを通過すると、赤、オレンジ、黄色、緑、シアン、青、紫のカラフルなスペクトルも生成されます。天体のスペクトルを研究することは天文学者にとって非常に重要な方法です。天体のスペクトルを研究することで、天体に関する多くの重要な情報を得ることができるからです。

太陽スペクトル

ハッブルがウィルソン山天文台で働く前は、多くの天文学者が恒星や銀河系外銀河などの天体のスペクトルを研究していました。その中にはシュリーファーのような科学者もいます。 1922年、長く注意深い観察の結果、スライファーと彼の同僚は41個の銀河のうち36個のスペクトルが赤方偏移していることを発見した。

7 色のスペクトルは、赤、オレンジ、黄、緑、シアン、青、紫であり、この順序は固定されていることがわかっています。光は電磁波であり、電磁波には特定の波長があります。 7色の光の中で、赤色の光は波長が最も長く、紫色の光は波長が最も短いです。天体のスペクトルにおける吸収線の波長が長くなると、赤色光側に移動したことを意味し、これを赤方偏移と呼びます。逆に、吸収線の波長が短くなると、吸収線は紫色の光の端に向かって移動したことを意味し、これを紫シフトと呼びます。

では、なぜ天体からの光は赤方偏移するのでしょうか?

科学者たちは、光波と音波には特別な性質があることを長い間知っていました。光源や音源が観測者から遠ざかると、光波と音波の波長が長くなり、赤方偏移が発生します。逆に、光源や音源が観測者に向かって移動すると、光波や音波の波長が短くなり、青方偏移が発生します。 18 世紀半ばにはすでにオーストリアの科学者ドップラーがこの現象を研究しており、この現象は後に「ドップラー効果」と呼ばれるようになりました。

実際、ドップラー効果は日常生活でも観察できます。パトカーや救急車がサイレンを鳴らしながら猛スピードで通り過ぎるとき、聞こえる音の高さは異なります。これはドップラー効果の結果です。日常生活では、注意深く観察していれば、多くの特別で興味深いものを発見したり体験したりすることができます。

スライファー氏とその同僚は、発見された銀河のスペクトル赤方偏移とドップラー効果を組み合わせ、スペクトル赤方偏移を持つ 41 個の銀河のうち 36 個が私たちから遠ざかっている、つまりどんどん遠ざかっていることに気づきました。

スライファーらの研究に基づいて、ハッブルとその助手たちはウィルソン山天文台の大型天体望遠鏡を使って銀河のスペクトルを注意深く観測し続けました。彼らは、ほぼすべての遠方銀河にスペクトル赤方偏移があり、距離が遠くなるほど赤方偏移が大きくなることを発見した。この結果は前例のないものであり、非常に驚​​くべきものです。

1929年までに、ハッブルは距離が分かっている20以上の銀河の分析を通じて、銀河スペクトルの赤方偏移とその距離が非常に規則的な比例関係を示し、それが簡単な数式で表せることを発見しました。この関係は現在ハッブルの法則と呼ばれています。

遠くの銀河が私たちから遠ざかっているというのはどういう意味でしょうか?ハッブルと彼の同僚たちは、私たちの宇宙が安定し不変ではないことに気づきました。銀河はどんどん大きくなり、銀河間の距離はどんどん遠ざかっているのかもしれません。宇宙は、膨らむ風船のように膨張しています！

ハッブルの法則の発表により、人類は宇宙の膨張を理解できるようになりました。ハッブルの法則は現代の宇宙論の基礎であると考えられています。ハッブルは、ハッブルの法則の発見と一連の重要な貢献により、「20 世紀最大の天文学者」としても知られています。

宇宙の膨張は新たな疑問を提起する

宇宙膨張理論が確立された後、どのような新たな問題が生じましたか?多くの科学者は当然、この膨張がどこから始まったのか疑問に思う。この拡大を「元に戻して」何が起こるか見てみたとしたらどうでしょうか?この方法は「バックトラッキング」と呼ばれます。

たとえば、もし過去に戻ることができたら、膨張する宇宙は、ある時間前は今よりも小さかっただろうと想像できます。さらに遡れば、宇宙はさらに小さくなるでしょう。このように遡り続けると、宇宙が小さな点に後退する瞬間が来ます。このように考えることは、論理的推論の観点からは確かに許容されます。

すると、さらなる疑問が生じます。最初の宇宙が小さな点だったのなら、なぜ無限に膨張し始めたのでしょうか?

したがって、当然のことながら、一部の科学者は、宇宙が膨張し始める前に、宇宙のその小さな点が爆発し、爆発後に宇宙が膨張し始めたのではないかと考えました。

この考えは論理的に思えますが、奇妙でもあります。

このように単純に逆方向に考えるだけで、ビッグバンについての理論を確立できるのでしょうか?もちろんそうではありません。科学的研究はそれほど簡単で、単純で、広範囲にわたるものではありません。

ビッグバンの模式図

ビッグバン理論の誕生

ルメートルという名のベルギーの科学者がいました。大学卒業後、イギリスとアメリカの大学を訪問し、勉強しました。アメリカ滞在中に、彼はハッブルなどの科学者による銀河系外銀河のスペクトルの赤方偏移に関する研究について学びました。ルメートルはキリスト教会の司祭としてのもう一つのアイデンティティも持っていました。

1927年、彼はアインシュタインの一般相対性方程式に基づいて、宇宙が膨張していることを示す結果を得ました。 1931年、ルメートルはさらに、宇宙はすべての物質を含む小さな点から始まったと指摘した。彼はこの点を「原始原子」と呼んだ。その後、「原始原子」が爆発し、今日の宇宙が形成されました。

1924年、ルメートルより少し前に、ロシア生まれの数学者フリードマンもアインシュタインの一般相対性方程式を計算して得た数学的結果を発表しました。この結果は、ルメートルの結果と同様に、宇宙が膨張していることを指摘しています。

ベルギーの科学者メトラー

しかし、当時は、宇宙は小さな点から爆発して膨張し始めたというルメートルとその同僚の見解を誰もが受け入れられたわけではありませんでした。

たとえば、有名なイギリスの天文学者ホイルは、かつて星（太陽など）のエネルギーがどこから来るのかを解明することに多大な貢献をしましたが、彼は「定常状態」の宇宙の支持者です。彼はハッブルによる銀河スペクトルの赤方偏移の観測を否定することはできないが、この「宇宙の膨張」は人間が観測できる宇宙の小さな一角でのみ起こっているのかもしれないと考えている。宇宙は非常に大きいため、他の場所では必ずしも「膨張」しているわけではありません。

かつて、BBCの科学番組で、ホイルは皮肉を込めて、ビッグバンの考えには本当に同意できないと語った。彼は英語の「BigBang」という言葉を使いました。それ以来、「ビッグバン」という言葉は人気を博し、流行の新しい言葉となりました。面白いのは、この名前がビッグバン理論に反対していたホイルによって付けられたことです。

ハッブルや他の研究者による銀河スペクトルの赤方偏移の観測や、ルメートルとフリードマンによるアインシュタインの一般相対性方程式の数学的解の裏付けがあるにもかかわらず、ビッグバン理論はあまりにも信じ難いものであるため、人々が受け入れて理解するのは依然として難しい。しかし、その後の出来事により、より多くの人々がビッグバン理論を受け入れる傾向が生まれました。

ビッグバンの残留熱

1946年から1948年にかけて、米国ワシントン大学のロシア生まれのガモフ教授は、学生のアルフレッドとヘルマンを率いて、宇宙の元素が最初にどのように形成されたかを研究しました。同時に、彼らは宇宙の「ビッグバン」理論を提唱した。彼らは、宇宙の初期の温度は非常に高く、原子核と電子しか存在しなかったと信じていました。温度が徐々に下がるにつれて、いくつかの元素の原子が徐々に形成されました。

また、現在の宇宙にはビッグバンからの残留熱がまだ残っているはずだが、温度はすでに非常に低く、おそらく絶対零度5度程度であるという計算結果も得られた。

絶対温度とは何か

天気予報で気温が摂氏で表示されるのを聞きます。摂氏 0 度は、通常の状況下での水と氷の混合物の温度として定義されます。しかし、絶対温度では、0 度は摂氏マイナス 273.15 度に相当し、絶対零度とも呼ばれます。これは非常に低い温度であり、あらゆる物質の分子や原子の動きが止まるほど低い温度です。

ガモフ氏とその同僚は、ビッグバンからの残留熱の温度は絶対零度5度であると計算した。これは絶対零度（実際には約摂氏マイナス268度）より5度高い。しかし、彼らの予測は長い間科学者の注目を集めませんでした。

それから約20年後、もう一つの劇的な出来事が起こりました。 1964 年、米国のベル電話研究所に勤務する 2 人の科学者、ペンジアスとウィルソンは、上空からのノイズ信号が通信に及ぼす干渉の問題を研究していました。新たに設計された大型の角度付きアンテナを使用しました。

ベル研究所の大型ホーンアンテナ

ある日、ペンジアスとウィルソンは奇妙な干渉信号を発見した。どのような干渉防止対策を講じても、信号は依然として存在していました。当初はアンテナ自体に問題があると思われ、アンテナを注意深く点検し、鳩の糞も掃除したが、信号はまだ存在していた。

さらに、アンテナが空のどの方向を向いていても信号は現れます。つまり、信号は地球や地球の近くから来ているのではなく、非常に遠い宇宙から来ているということです。

プランク望遠鏡で観測された宇宙マイクロ波背景放射

その後、ペンジアス氏とウィルソン氏はこの件を公表した。宇宙を研究する科学者たちは、このことを知ったとき、突然、このいわゆる干渉信号が、ガモフとその学生たちが20年以上前に予測したビッグバン後の残留熱であることに気づきました。ペンジアス氏とウィルソン氏は、慎重な測定の結果、信号の温度が絶対温度で 2.7 度であることを発見しました。

ペンジアス氏とウィルソン氏が得た結果は、ガモフ氏とその同僚が予測したものよりわずかに低いだけだった。この信号は宇宙全体を満たしており、現在では「宇宙マイクロ波背景放射」と呼ばれています。

この発見は、1960 年代の天文学における「四大発見」の 1 つと呼ばれるようになりました。ペンジアスとウィルソンは1978年にノーベル物理学賞を受賞し、世界的に有名な科学者となった。

科学においては、まだ誰も知らないことを理論で正しく予測したり予想したりできれば、その理論は人々に受け入れられやすくなり、科学理論として認識されるようになります。

ビッグバン理論もまさにその通りです。これは、遠方の銀河のスペクトルの赤方偏移の観測事実とアインシュタインの一般相対性方程式の数学的結果によって裏付けられているだけでなく、宇宙マイクロ波背景放射の存在も予測しています。そのため、それ以来、宇宙は本当にビッグバンから始まったと信じる人が増えています。その後、より正確な観測によりビッグバン理論はより確固たるものになりました。