ビッグバンセオリー物語：第３話 宇宙マイクロ波背景放射――138億年前から届いた光

もし、138億年前の宇宙を見ることができたら――。そこには、星もありません。銀河もありません。ましてや、地球もありません。
それでも、私たちはそのころの宇宙の姿を「見る」ことができます。
そのために使うのが、目ではありません。宇宙マイクロ波背景放射（CMB）と呼ばれる、宇宙を満たすかすかな光です。これは、宇宙が誕生してから約38万年後に放たれた光。それが何十億年もの旅を続け、波長を大きく伸ばされながら、今この瞬間も地球へ届いています。ESAはCMBを「現在観測できる最も古い光」と説明しています。では、その光には、いったい何が記録されているのでしょうか。

宇宙の始まりから、約38万年経ちました。人間の歴史から考えれば、とてつもなく長い時間です。しかし宇宙138億年の歴史から見ると、ほんの一瞬にすぎません。このころの宇宙は、現在とはまったく違う姿をしていました。
温度はおよそ3000ケルビン。摂氏にすれば、約2700度です。

そこには、陽子や電子、光子などがぎっしり詰まった、高温で密度の高い状態が広がっていました。電子は自由に飛び回り、光は電子に何度もぶつかっていました。だから、この宇宙は透明ではありませんでした。たとえて言えば、濃い霧の中です。霧の向こうに光があっても、何度も散乱されてしまうので、遠くまで見通すことができません。

ところが宇宙は、膨張し続けていました。膨張すれば温度は下がります。
そして、ついに大きな変化が起こります。電子が陽子に結びつき、水素原子ができるようになったのです。

自由に飛び回る電子が急激に減ると、光は電子に邪魔されにくくなりました。そして、それまで霧のようだった宇宙が、突然、光の通り抜けられる世界へ変わります。そのとき自由になった光。それこそが、現在私たちが観測している宇宙マイクロ波背景放射です。

考えてみてください。その光は、宇宙が始まってから38万年後の宇宙を出発しました。そこから138億年近い時間を旅してきました。

宇宙が膨張するにつれて、光の波長も引き伸ばされました。もともとはもっと高いエネルギーを持っていた光が、現在ではマイクロ波として観測され、その温度は約2.7ケルビン、つまり絶対零度よりわずかに高い約マイナス270度になっています。

ここまでなら、ずいぶん不思議な話です。しかし、本当に驚くべきことは、その光が完全に均一ではなかったことです。CMBを詳しく測定すると、空の場所によって、ごくわずかな温度の違いがあります。その差は平均温度に対して、およそ10万分の1という、とても小さなものです。

「たったそれだけ？」そう思うかもしれません。ところが、この小さな違いが、宇宙の未来を決める重要な種でした。少しだけ密度の高い場所には、ほんの少しだけ多くの物質があります。すると、そこでは重力がほんの少し強く働きます。重力によってさらに物質が集まります。物質が集まれば、さらに重力が強くなります。

やがて、その小さな密度のむらが成長していきます。そして何億年、何十億年という時間の中で、星や銀河、銀河団へとつながっていったと考えられています。ESAも、CMBに刻まれた小さな密度の違いを、現在の星や銀河につながる「種」と説明しています。つまり、宇宙を埋め尽くす巨大な銀河の集まりも、はるかな過去に存在した、ほんのわずかな「むら」から始まったのです。

では、この光を誰が最初に見つけたのでしょうか。1964年、アメリカのベル研究所で、アルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンは、マイクロ波アンテナを使った観測中に、どうしても取り除けない奇妙な雑音を発見しました。アンテナをどの方向へ向けても、その信号はほとんど変わりません。
機械の故障なのか。大気の影響なのか。それとも、何か別の原因なのか。

二人は原因を一つずつ調べていきました。しかし、その「邪魔な雑音」は消えませんでした。やがて、それが宇宙のあらゆる方向から来ている背景放射だと分かっていきます。これは、まさに宇宙そのものから届いた信号でした。

ペンジアスとウィルソンは、この発見によって1978年のノーベル物理学賞を受賞しました。さらに、その後のCOBEやWMAP、Planckなどの観測によって、CMBの温度のわずかなむらは、より精密に地図として描かれていきました。

ここで私たちは、不思議なことに気づきます。空を見上げても、138億年前の宇宙は見えません。でも、特殊な望遠鏡を使えば、そのころの光を観測できます。私たちは、宇宙の歴史を本のように一ページずつめくることはできません。それでも、宇宙が残してくれた「光の化石」を調べることで、その遠い過去を推測できるのです。

CMBは、宇宙の赤ちゃんのころの記録です。そして、その赤ちゃんの顔に刻まれた、ほんの小さな「しみ」のような模様が、現在の巨大な宇宙構造へつながっていました。宇宙は、最初から現在の姿だったわけではありません。小さな揺らぎから、銀河が生まれました。銀河から星が生まれました。星の周りに惑星が生まれました。

そして、その惑星の一つで、はるか昔の宇宙から届いた微かな光を見ながら、「この光はいったい何を語っているのだろう」と考える生き物が現れました。私たちです。宇宙は、38万歳だったころの自分の姿を、今も私たちに見せています。では、その「小さなむら」は、そもそもどこから生まれたのでしょうか。なぜ、宇宙は完全に均一ではなかったのでしょうか。

その答えを求めると、私たちは宇宙のさらに幼い時代へ戻ることになります。そしてそこには、宇宙が一瞬のうちに猛烈な膨張をしたという、もう一つの壮大な物語があります。次に追いかけるのは、宇宙の「インフレーション」です。

次回予告

第4話　宇宙のインフレーション――一瞬で広がった世界

宇宙背景放射には、ほとんど均一に見える宇宙の中に、ほんの小さな「むら」が刻まれていました。では、そのむらはどこから生まれたのでしょうか。そして、宇宙の広い範囲が、なぜこれほどよく似た性質を持っているのでしょうか。その謎に挑むために考えられたのが、宇宙インフレーションという驚くべき仮説です。宇宙は、誕生直後に想像を絶する速さで膨張したのでしょうか。次回は、宇宙の歴史をさらに「始まり」に近いところまで巻き戻します。ほんの小さな宇宙が、巨大な宇宙へ――。
その一瞬に、何が起きたのでしょうか。

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