宇宙は膨張している！宇宙の初期よりも今の方が時間が早く流れているのでしょうか?

2023年7月、シドニー大学とオークランド大学の2人の天文学者が、初期宇宙（ビッグバンから約10億年後）のクエーサー光変化信号を監視・分析し、これらの信号が地球に到達したときの持続時間は、初期宇宙で生成されたときよりも5倍長かったことを発見しました。

このような観測結果を「宇宙の初期よりも時間が早く流れている」と理解する人も多いでしょう。本当にそうなのでしょうか？この研究結果を正しくどのように理解すればよいのでしょうか?

膨張する宇宙

20 世紀初頭、天文学者たちは、地球の周りの遠方の銀河が私たちから遠ざかっていること、そして銀河が地球から遠いほど、地球から遠ざかる速度が速いことを発見しました。宇宙における地球の位置に特別なことは何もないと仮定すると（あるいは宇宙が等方性であると仮定すると）、この図は他の銀河でも観測できます（ただし、現時点ではそこに到達することはできません）。つまり、すべての銀河は互いに遠ざかっているのです。これは、私たちが住んでいる宇宙が膨張していることを意味します。

ハッブル望遠鏡が見た遠い宇宙。画像提供: NASA アポッド

膨張する宇宙は直感的に想像することはできません。例として、小さなアリがいっぱい入った膨らんだ風船を想像してみましょう。風船が膨らむと、どのアリも仲間のアリが風船から遠ざかっていくのが分かります。この結果は、アリが存在する空間の拡大によって生じます。

膨張する宇宙の観測により、私たちの宇宙は太古の昔から静止しているのではなく、動的に変化していることがわかります。

宇宙の膨張の模式図。宇宙のどの場所から観察しても、周囲の銀河はあなたから遠ざかっています。画像出典: science-sparks、注釈は著者による

宇宙の膨張の影響は、十分に大きな空間スケールに及ぶ場合にのみ現れることに留意すべきです。

より小さな局所領域内の束縛されたシステムでは、物質は空間の膨張とともに膨張しません。たとえば、膨らむ風船の上のアリは、その体が自己結合システムとして機能し、風船が膨らんでも膨らまないことがわかっています。

同様に、宇宙の局所領域内の天体は、宇宙の膨張とともに拡大することはありません。たとえば、地球、太陽、天の川、その他の天体は宇宙の膨張とともに拡大していません。大規模な銀河団（銀河から構成される自己重力結合系）であっても、宇宙の膨張に合わせて拡大することはありません。私たちが位置する銀河団では、天の川銀河とその隣のアンドロメダ銀河は互いに離れているのではなく、重力によって近づいています。したがって、宇宙の膨張効果を探るには、十分に大きな空間スケールで行う必要があります。

クエーサー: より明るく、より遠くにある宇宙の探査機

宇宙の奥深くにある天体を観測するには、観測時にその天体が十分に明るくなければなりません。遠方の天体の場合、その光度（単位時間あたりに生成されるエネルギー）が非常に高いことが必要です。

Ia 型と呼ばれるタイプの超新星があり、これは短時間に膨大な量のエネルギーを放出し、同じ最大光度と類似した光曲線を持ちます。天文学者は、このタイプの超新星を利用して、局所宇宙における宇宙膨張の影響を検出してきました。しかし、より遠い距離では超新星を観測することが難しく、より遠い宇宙の状態を研究することが難しくなります。

初期宇宙のクエーサー。画像提供: NASA

クエーサーはより遠くにある、より明るいタイプの天体です。これらの天体の中心にある超大質量ブラックホールは、周囲の物質を吸収することで膨大な量のエネルギーを外部に放出します。多くのクエーサーは地球から非常に遠く離れており、その光が地球に届くまでに数十億年かかることも珍しくありません。

言い換えれば、私たちが地球上で観測するこれらの天体からの光は、数十億年前の宇宙初期に放射されたものです。このような遠方の天体は、宇宙の過去を遡り、その歴史的進化を研究する可能性を私たちに与えてくれます。

遠くにある明るいクエーサーを観測することで、数百億年前の初期宇宙まで遡ることができます。画像出典: spaceaustralia、注釈は著者による

「チクタク」から「チクタクチクタク」へ

クエーサーの中心にあるブラックホールが周囲の物質を降着しているとき、降着円盤の不安定性によりその明るさが変化することが多く、観測すると明暗がちらつくことがあります。クエーサーの光の変化信号は初期宇宙から来ることが多いため、天文学者は地球上でこれらの点滅信号の持続時間を記録することで宇宙の膨張の歴史を追跡しています。

2023年7月、シドニー大学とオークランド大学の2人の天文学者が、190個のクエーサーの光の変化（時間の経過に伴う明るさの変化）信号を研究しました。これらのクエーサーそれぞれの光の変化は、過去 20 年間にわたって複数の波長で何百回も観測されてきました。

研究結果は「ネイチャー・アストロノミー」誌に掲載された。画像出典: Nature Astronomy 誌

統計分析によると、これらのクエーサーの観測された光の変化信号は、初期宇宙（120億年前、つまり宇宙誕生から約10億年後）で生成されたときよりも5倍長く持続します。

実際には、これは送信時の短い「チックチック」から受信時の長い「チックチックチック」に遅延される信号に似ています。 1 分間のビデオが遠くのクエーサーで録画され、私たちが受信できるように 120 億年かけて電磁波で地球に送信されたとします。今このビデオを再生すると、スローモーションショットのセットが表示されます。ビデオ全体を再生するには 5 分かかります。

過去からの信号の持続時間は、私たちがそれを受信すると 5 倍に延長され、あたかも現在の時間が過去の時間よりも 5 倍速く経過しているかのようです。

しかし、これは実際には時間の経過速度が実際に増加したためではなく、光信号の伝播中に宇宙が膨張することによって生じる効果です。

光信号が非膨張宇宙で伝播する場合、その送信の持続時間は受信の持続時間と同じになります。しかし、信号が膨張する宇宙で伝播する場合、伝播距離が長くなるため、信号を受信するのに時間がかかります。この効果は天文学では「宇宙時間の遅れ効果」と呼ばれています。

この効果により、観測される波長が長くなる（宇宙赤方偏移と呼ばれる）、観測される天体の明るさが暗くなるなど、天文観測におけるいくつかの物理量にさらに変化が生じます。

宇宙の初期には、クエーサーから発せられた信号が地球に送信されました。宇宙は常に膨張しているため、信号が地球に到達したときにその持続時間は延長されました。画像出典: フラット宇宙協会、注釈は著者による

ここでの宇宙の時間の遅れは、相対性理論における基準フレーム変換によって引き起こされる時間の遅れと同じではないことを明確にする必要があります。宇宙の膨張中、天体は宇宙共動座標系（上図に示す経度線と緯度線。球面とともに膨張または収縮します）内で静止しています。

遠くの天体が観測によって私たちから遠ざかっていくのが見えます。これは、天体が宇宙の膨張とともに受動的に「漂っている」ためです。これらの遠く離れた天体の間には相対的な動きがないので、相対的な動きによって時間の遅れが生じることはありません。

さらに、時間の経過の速さについて話すとき、私たちはローカルの静止した時計の時間について言及しています。初期宇宙のどこかで静止している時計では、現在地球上で静止している時計と同じ速度で時間が経過するでしょう。したがって、この研究結果は「現在私たちが受信している信号の持続時間は、初期宇宙で発せられた信号の持続時間よりも長い」ということを意味し、「初期宇宙よりも現在の方が時間が速く流れている」と誤解されるべきではありません。

結論

数十億光年離れたものであろうと、神秘的な時を刻む音であろうと、宇宙の初期から現在に至るまで、天文学の分野には探求されるのを待つ無数の謎が存在します。

宇宙には謎がいくつあるのでしょうか？宇宙最大の謎は何でしょうか？科学者が何を発見したとしても、宇宙は常に「発見されるのを待っている」状態にあるようです。未知から既知へ、そして再び未知へと進むこのプロセスこそが、人類文明の継続的な進歩を推進しているのです。

参考文献

[1] ルイス、ジェラント・F.、ブリューワー、ブレンドン・J.;高赤方偏移クエーサーの宇宙時間の遅れの検出。 2023NatAs.147L;

[2] ビッグバン直後は時間の流れが5倍遅くなった。

企画・制作

中国科学普及協会制作

著者: 李振珍、熊一菲、中国科学院上海天文台

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者｜ヤン・ヤピン