[ビジネス韓国] “For the brave sky-travellers, maps of the celestial bodies（勇敢な空の旅人たちのために天体の地図を描かなければならない）”。
1610年、天文学者ガリレオに宛てた手紙の中でケプラーはこう述べた。ケプラーは遠い未来、いつか星と星の間を航海する船と帆が作られるだろうと考えた。その日が来る前に、あらかじめ月や木星の地図を用意しなければならないと考えたのだ。ケプラーは、自身とガリレオが夜空を研究することは、単に宇宙の神秘を解き明かすことを超え、より広大な人類の未来のための地図を描く作業だと見なした。
今や私たちは地球でも太陽系でもない、宇宙全体の地図を描いている。その中には数え切れないほどの銀河が詰め込まれている。そして、描き直されるたびに、その地図は私たちを全く予想外の未知の発見へと導いてくれる。
ずっと昔、人類は地球が平らな世界だと思っていた。しかし地球は巨大な球体だ。そのため、地球を地図にする際には常に厄介な問題が生じる。曲率のある地球を平らな紙の上に描こうとすると、常に意図しない歪みが生じるからだ。
興味深いことに、曲率は地球だけでなく宇宙全体においても悩ましい問題だ。まず、宇宙時空で語られる「曲率」が正確に何を指すのかを把握する必要がある。
曲率とは宇宙の幾何学のことだ。宇宙の幾何学は宇宙の形とは異なる概念である。宇宙の形とは、宇宙が全体的に球形なのか、ドーナツ形なのか、糞の形なのかを指す。宇宙の形については実に様々な想像が可能だ。宇宙を宇宙の外から全知的な観測者の視点で見た時にどう見えるかという話に過ぎない。しかし、天体物理学的にさらに意味があるのは宇宙の形ではなく幾何学だ。様々に想像できる宇宙の形とは異なり、宇宙の幾何学はたったの3つしかあり得ない。平坦か、閉じているか、あるいは開いているかだ。
時空の曲率を判断する際は、平行線を引けばよい。平坦な宇宙では平行線は永遠に平行だ。決して交わることはない。閉じた宇宙では結局平行線は交差し、開いた宇宙では二つの平行線間の間隔が次第に広がっていく。同様に、私たちの宇宙の曲率がどうなっているのかを知りたければ、宇宙空間に果てしなく並行して続く平行線を引いてみればいい。最良の道具は光だ。光は常に真っ直ぐ飛ぶ。光の経路が曲がるのは、その光が飛ぶ空間自体が曲がっているからだ。したがって、宇宙空間を飛ぶ光の経路を追えば、宇宙の曲率がどれほど曲がっているか、どれほど平坦であるかを知ることができる。
宇宙にほんのわずかな曲率がある場合、平行線をわずか数km引いただけでは曲率を知ることは難しい。ずっと長く引いて初めて、その平行線がいつか出会うのか、あるいは永遠に交わらないのかを知ることができる。したがって、私たちも非常に長い時間、最も長い距離を飛んできた光の筋を追う必要がある。最適な光がある。事実上、ビッグバン直後に宇宙で最初の光が広がり始めて以来、ずっと飛んできた最も古く、そして最も遠くから飛んできた光、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）だ。
この光は、ビッグバン直後の非常に熱く密度が高かった宇宙が膨張し、十分に冷えて晴れ渡った時に広がり始めた太古の光だ。ビッグバンから約38万年が経過した時、宇宙の温度が3000度以下へと冷えゆく瞬間に、太古の光の筋が初期宇宙の混とんとした原始粒子のスープをかき分けて広がり始めた。それから長い時間が流れ、熱が均等に冷え、宇宙全域に低く漂う微かな温度として拡散した。
この光は空のあらゆる方向から飛んでくる。宇宙の至る所で同時に放出され、同時に広がった。そのため、一見すると宇宙マイクロ波背景放射は完璧なまでに均一に見える。絶対温度2.7Kという非常に微かな温度が実に滑らかに分布している。2000年代まではそう見えた。しかし、ビッグバンの残熱を捉えるために宇宙望遠鏡が直接宇宙へ上がり観測した結果、滑らかに見えた宇宙マイクロ波背景放射の中にも極めて微細なデコボコとした揺らぎがある事実が判明した。その揺らぎのスケールは非常に小さい。10万分の1度レベルに過ぎない。その小さな揺らぎは、宇宙マイクロ波背景放射の地図上で大小のシミとして現れる。
宇宙の曲率によって宇宙マイクロ波背景放射のシミの大きさが変わる。宇宙が平坦であれば、宇宙の果てから出発した光の筋は138億年の間ずっと平行に飛び続け、宇宙マイクロ波背景放射のシミの大きさも変わらない。もし閉じた宇宙であれば、光の筋は最終的に収束して出会う。私たちはその光を逆向きに外挿して認識するため、シミが実際よりも大きく見えることになる。逆に開いた宇宙であれば、並行だった二つの光の筋は次第に遠ざかる。同様に私たちはその光を逆向きに外挿して見るため、宇宙マイクロ波背景放射のシミがより小さく見えることになる。この原理を活用すれば、宇宙マイクロ波背景放射のシミの分布を通じて宇宙の曲率が平坦なのか、開いているのか、閉じているのかを知ることができる。
2000年代に宇宙へ上がったWMAPを皮切りに、宇宙マイクロ波背景放射は宇宙が事実上平坦であるという答えを出し始めた。9年間ずっと観測を続けたが、依然として宇宙マイクロ波背景放射の地図は宇宙が平坦であるという事実を示していた。ところが2009年に打ち上げられたプランク衛星が、宇宙の曲率に関する論争を引き起こし始めた。プランク衛星はWMAPと比較して解像度が約3倍も高い。より小さなスケールの揺らぎまで見通すことができる。より鋭い目で宇宙マイクロ波背景放射の地図を描くようになると、過去には気にする必要のなかった微細な効果にも注意を払う必要が出てきた。
宇宙の至る所にある巨大な銀河団も周囲の時空を歪ませる。宇宙の果てから出発した宇宙マイクロ波背景放射の光が私たちに向かって飛んでくる間、大小の銀河団を通過しながら光の経路が曲げられる。銀河団による局所的な重力レンズ効果が発生するのだ。もちろん、この効果は宇宙全体の時空効果と比較すれば非常に小さい。しかしプランク級の鋭い目であれば、十分にその効果を捉えることができる。困ったことに、プランクが描いた宇宙マイクロ波背景放射の地図には、予想以上に多くの重力レンズの痕跡が現れた。平坦だとばかり思っていた宇宙のあちこちに、思いがけず歪んだ時空の痕跡が多かったのだ。これを「プランクのレンズ異常（Planck lensing anomaly）」と呼ぶ。
さらに一部の天文学者たちは、これがもしかすると実際の宇宙が完璧に平坦ではない証拠かもしれないとさえ考えた。実は宇宙が微細に閉じた宇宙であるためかもしれないということだ。もちろん、依然として他の観測、つまり宇宙全域の銀河の空間分布地図を描くDESIやSDSSのような観測では、宇宙はあくまで平坦に見える。そのため宇宙が本当に平坦なのか、閉じているのかを断定するのは難しい。もしかすると宇宙は平坦だが、単に重力レンズを作る銀河団の数が予想よりも多かっただけなのかもしれない。
最近、地上の巨大電波望遠鏡を活用して6年間かけて宇宙全域の宇宙マイクロ波背景放射地図を完成させた新しい結果が出た。チリにあるアタカマ宇宙論望遠鏡（Atacama Cosmology Telescope, ACT）を利用したものだ。海抜5000メートルにそびえ立つこの望遠鏡を通じて、宇宙マイクロ波背景放射の光の偏光を精密に観測した。プランクと比較しても実に3倍も鮮明な観測が可能だった。偏光は光の波がどの方向に振動しているかを教えてくれる。宇宙の曲率は宇宙マイクロ波背景放射の光の偏光にも痕跡を残す。銀河団の重力レンズは光の経路を曲げるだけでなく、その光の振動方向さえもねじってしまう。そのねじれ具合を観測すれば、宇宙全域に重力レンズがどれほど頻繁に存在し、どれほど強力かを知ることができる。この効果を取り除けば、宇宙自体の曲率による効果だけを残すことができる。
ACTの新しい観測は、宇宙がほぼ完璧に平坦であるという結果を示している。プランクが発見した、宇宙により多く見えた重力レンズの痕跡が全て綺麗に消えた。プランクの目にはより閉じた曲率を持っているように見えた宇宙が、ACTの目には完璧に平坦な宇宙のように見える。遠い昔、地球が平らなのか丸いのか、一体地球の地図をどう描くべきか悩んだ人類は、今なお宇宙が平坦なのか丸いのかを悩みながら、未だ埋めきれない宇宙の地図を広げている。
宇宙の曲率、宇宙の幾何学をめぐって起こるこの思いがけない論争を、天文学では「宇宙の曲率テンション（curvature tension）」と呼ぶこともある。天文学には様々な論争がある。ハッブルテンション、ダークエネルギーテンションなど…。曲率テンションもその一つだ。他のテンションと同様に、私たちは確かに一つの宇宙に住んでいるが、観測方法や道具によって、宇宙は少し閉じて見えたり、完璧なまでに平坦に見えたりする。どちらか一方が意図しない嘘をついているのか、私たちはまだ知らない。
ただ、ここで見過ごしてはならない事実がある。ACTはあくまで地上望遠鏡だ。地上の固定された一点から見える空の範囲には限界がある。どれほど最大限に詳しく調べようとも、ACTは南半球を中心に空全体の面積の40%までしか見ることができない。一方でプランクは宇宙へ上がった望遠鏡だ。そのため、姿勢をくるくると回転させながら、宇宙のあらゆる方向から宇宙マイクロ波背景放射の地図を描くことができる。
だとすれば、より劇的な想像もできる。たまたまACTが狙った南半球の空においてのみ宇宙の曲率が平坦だったのであり、宇宙全体を見れば閉じた曲率かもしれないということだ。そしてこれは、宇宙が平坦であるだけでなくあらゆる方向で姿が同じであるという、「宇宙の等方性」に対するまた別の挑戦にもなり得る。宇宙のどの方向を見るかによって宇宙大規模構造の分布と形だけでなく、宇宙の幾何学そのものも変わり得るという、さらに衝撃的な結論になるからだ。
地図の役割は、単に私たちが住む世界の風景を簡単に眺めさせることにとどまらない。結局、地図を描く最も重要な理由は、私たちが行こうとする目的地までどのように行くべきかの道しるべになるからである。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/063
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/061
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃『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、世宗大学校自由専攻学部助教授として、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『天文学者の無用さについて』、『私たちは皆天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『私はどうして冥王星を殺したか』、『クォンタムライフ』、『UFO』などを翻訳した。