[비즈한국] 滑らか、滑らかな。ピョンピョンする、ピョンピョンした。デコボコする、デコボコした。Kaniが韓国語試験の勉強をしながら呟いた言葉が、しばらく人々の耳元を離れなかった。彼の独特なリズム感覚が一役買ったのだろう。ところが、私は彼の歌詞を聞くやいなや、突拍子もないことを思い浮かべた。宇宙背景放射だ。Kaniの歌は、驚くほど宇宙背景放射の本質を突いている。
宇宙背景放射は、滑らかで、平らで、デコボコしている。
宇宙背景放射はビッグバン宇宙論の最も強力な証拠だ。ビッグバン宇宙論によると、宇宙は太古の昔、現在よりはるかに高い密度で凝縮されていた。それだけ宇宙ははるかに熱かった。ところが宇宙が突然膨張を始め、宇宙の熱気が四方八方に均等に広がりながら冷えていった。現在の宇宙は絶対零度よりわずか2.7度高い、非常に低い温度まで冷え込んでいる。ビッグバン直後の熱い宇宙が抱いていた熱気が均等に広がり、冷えて残ったその熱の痕跡こそが宇宙背景放射だ。
1964年、物理学者のペンジアスとウィルソンは、ベル研究所で使っていた貝殻型のアンテナから理解不能な雑音を捉えた。その雑音は非常に微弱だったが、空全体、あらゆる方向から均等に捉えられた。しばらくの間、彼らはその正体を知ることができなかったが、最終的にその信号が地球ではなく、宇宙そのものから発せられる信号であることを悟った。当初、ペンジアスとウィルソンが捉えた宇宙背景放射は非常に滑らかだ。宇宙全体が完璧に同一の温度で均等に冷えていることを示している。この滑らかさは、宇宙がまさにビッグバン宇宙論の説く通り、非常に均一で等方的に宇宙全体が膨張してきたことを示している。
また、現在の宇宙がどの程度冷えているかは、宇宙がこれまでどれほど速く膨張してきたかを示している。宇宙の運命は、宇宙を満たす物質による重力、そして宇宙をさらに膨張させようとするダークエネルギーの量によって決まる。宇宙には境界もなく、大きさもない。そのため宇宙の物質とエネルギーは、その密度で表現される。宇宙の密度が高すぎれば重力が強まり、宇宙は崩壊する。宇宙の密度が過度に希薄であれば、宇宙はとっくの昔に収拾のつかない膨張とともに散逸していただろう。
宇宙背景放射の観測は、宇宙が驚くほど精巧な世界であることを示している。過不足なく、まさにその中間の臨界密度ほどに宇宙の物質とエネルギーが満たされている。一般物質とダークマターがこの全体の臨界密度の30%を占め、ダークエネルギーが残りの70%を占める。そのため全て合わせれば、完璧に臨界密度を満たすことになる。これは宇宙の時空が完璧と言えるほど平らであることを意味する。宇宙の時空は平らである。言い換えれば曲率がない。宇宙で光は曲がることなく、常に真っ直ぐに進むという意味だ。宇宙背景放射は、宇宙が滑らかなだけでなく、平らであることを示している。
ところが、これで終わりではない。ペンジアスとウィルソンの初観測以降、今や天文学者たちはさらに感度の高い宇宙望遠鏡で宇宙背景放射を観測している。地球の電波の妨害を受けず、はるかに鮮明に宇宙の余熱が分布する地図を描いた。最も最近のプランク衛星が描いた地図を見ると、今や宇宙背景放射はただ滑らかには見えない。ザラザラとしたデコボコした姿が露わになっている。平均に比べて10万分の1度でも温度が高ければ赤く、低ければ青く表現されているからだ。つまり宇宙背景放射は大きく見れば滑らかだが、非常に微細な差まで注意深く覗き込めば、デコボコとした違いが際立つ。
このデコボコとした温度の差は、そのまま初期宇宙の密度の差を代弁する。どこか偶然に周囲より密度がわずかに高い、あるいは低い場所があった。この小さな密度の差は、小さな重力の差を作る。密度の高い地域を中心に次第に物質が多く集まり、最終的にはより強い重力を生み出し、さらに多くの物質が引き寄せられる。そうしてその場所を中心に銀河が誕生し、銀河団が形作られる。より繊細な望遠鏡で描かれた宇宙背景放射で確認されるデコボコとした温度ゆらぎ、すなわち密度ゆらぎは、今日の宇宙の大規模構造を作った銀河の種となった。
このようにKaniが歌った3つの表現、滑らかで、平らで、デコボコしていることは、正確に宇宙背景放射が語る宇宙の特徴と合致する。天文学者の立場から見れば、Kaniは意図せずして最も完璧な宇宙の進化を歌ったことになる。宇宙背景放射は今や我々のビッグバン宇宙論を完璧に説明し、証明している。しかし、まだ解けない有名なミステリーも残されている。
宇宙背景放射は結局、四方の宇宙から降り注ぐ電波や光を観測し、それを地図として表現したものだ。ところが光を観測する際には重要な問題がある。観測者自身の動きもその光を観測する際に影響を与える。我々が速く進んでいる側の光は、波長が短くなる方向にドップラー効果を受け、逆に我々が遠ざかっていく側の光は、波長が長くなる方向にドップラー効果を受ける。それぞれを青方偏移、赤方偏移とも呼ぶ。
地球は太陽の周りを回り、太陽も銀河系を大きく回っている。我々の銀河系も一緒に存在する他の周囲の銀河とともに、宇宙空間を速く動いている。結果的に我々は、宇宙の中で止まっていない観測者だ。そのため我々が宇宙背景放射を見ている間、我々は空の半分に向かって進み、空の半分は背後へと遠ざかり続ける。半分は青方偏移を、残りの半分は赤方偏移を受ける。実際の宇宙背景放射を観測すれば、これがそのまま反映される。そのため地図で見られるように、半分は赤く、半分は青く表現される。したがってこれを宇宙背景放射の双極子とも呼ぶ。
誰かはこれを見て太極模様のようだと話すが、太極とは何の関係もない。ただ宇宙の半分が平均より熱く、残りの半分がより冷たく見えるということを示しているに過ぎない。立体的な球の形で観測される宇宙を平面地図に描こうとする過程で楕円形に歪んでしまい、また宇宙背景放射に対する地球の進行方向が天の川銀河の円盤に対して大きく傾いているのだが、この図は天の川をx軸に並行に表現したため、熱くなった宇宙と冷たくなった宇宙の方向が少しずれて表現され、まるで太極のように見えるだけだ。
いずれにせよ、このように半分ずつ青方偏移と赤方偏移を受ける宇宙背景放射の観測を通じて、我々は自分が乗っているこの地球が、宇宙背景放射に対して360km/sというかなりの速度で高速飛行中であるという事実を悟った。これは我々自身の動きによるものだ。したがって宇宙背景放射ではなく、事実上我々の立場ではほぼ静止していると見なしても差し支えない、遥か彼方の背景銀河を基準に測定しても、この値は同様の結果が出るはずである。当然そうなるだろうと思っていた。
ところが近年の観測は、予想外の結果を示している。もし我々が宇宙空間を横切って一方向に速く移動している最中ならば、我々は進む側でより多くの数の銀河を見ることができるようになるはずだ。そちらに向かって光がより明るくなるドップラー効果、そして進行方向に光が曲がって見える一種の光行差効果が混ざり合って起きるからだ。今回の分析で天文学者たちは、低周波電波を観測するLOFAR電波望遠鏡を活用し、遥か宇宙の果てのクエーサーのような電波銀河の閃光を観測し、その数を統計的に分析した。
すると驚くべき結果が出た。既存の宇宙背景放射からのみ推論したよりも、実に3倍以上も強い双極子が明らかになった。言い換えれば、我々が元々予想したよりもほぼ3倍速い速度で宇宙空間を疾走しているという意味だ。この当惑するような結果を説明できるのは、大きく分けて2つしかない。我々の期待に反して宇宙の果てに分布するクエーサーが均等に分布せず、特定の方向に偏って分布する異方性を持っているか、あるいは宇宙の大規模構造の形成過程に対する根本的な物理法則を最初から修正しなければならないという意味かもしれない。いずれにせよ、どちらの解釈も我々の期待を裏切るものだ。
参考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/6z32-3zf4
筆者のチ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛している。幼い頃に『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えるという夢を持つようになった。現在は世宗大学校自由専攻学部助教授として、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『毎日宇宙の一欠片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないけれど分かること』、『宇宙を見ると浮かぶ不思議な質問たち』などの本を執筆し、『銀河ヒッチハイク・ガイド』、『私はどうして冥王星を殺したか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などを翻訳した。