宇宙の壮大なる謎に迫る：その大きさ、そして誕生の瞬間

はじめに：宇宙は果てしなく広大なのか？

皆さん、こんにちは！今回は、誰もが一度は考えたことがあるであろう、壮大なテーマ「宇宙の大きさ」について探求していきます。

宇宙の広大さを理解することは、我々人類にとって永遠の課題と言えるでしょう。現代の天文学は、驚くべき発見を次々と発表しており、その度に宇宙観は大きく変化してきました。今回は、宇宙の大きさの解明の歴史を辿りながら、最新の知見、そして未解明な謎を紐解いていきます。

想像を絶する巨大構造：130億光年の大環状構造

2024年初め、英中央ランカイ大学の天文学者ロペッツ氏は、巨大な宇宙構造「大環」を発見しました。これは、無数の銀河と銀河団からなる、ほぼ完璧な円形構造です。その直径は約130億光年、周囲の長さはなんと400億光年に及ぶ、現在観測可能な宇宙で最大の構造の一つです。

しかし、現在の宇宙形成論によれば、宇宙誕生から138億年という時間では、これほど巨大な構造が形成されるのは不可能なのです。既存の理論では、宇宙のビッグバン後、物質が重力によって集まり、小さな構造から徐々に合体して大きな構造へと成長すると考えられています。銀河や銀河団も、この過程で形成されたと考えられています。計算によると、宇宙誕生から138億年経過した現在、最大で約120億光年の構造しか形成されないはずです。

ロペッツ氏の大環の直径は130億光年。これは、現在の宇宙形成論の限界を超える大きさなのです。一体、何が起きているのでしょうか？

宇宙の均一性と大環の矛盾：海の表面のような宇宙？

現在の宇宙学の原理によれば、宇宙は「均一」であるとされています。つまり、宇宙のどの場所を観測しても、ほぼ同じように見えるはずなのです。しかし、大環の存在はこの考え方に疑問を投げかけています。

もし宇宙を大海原にたとえるなら、海岸から海面を見ると波打つように見えます。しかし、飛行機から海面を見ると、非常に平滑で静穏に見えます。宇宙も同様に、観測尺度によって見え方が変化する可能性があるのです。

大環は、平滑な表面に現れた顕著な皺のようなもので、宇宙の均一性を打ち破る存在と言えるでしょう。では、このような巨大構造はどのようにして形成されたのでしょうか？人類の宇宙観測に誤りがあったのでしょうか？

地球から太陽系、銀河系への距離測定：困難な道のり

宇宙の大きさを理解するためには、まずは身近な太陽系、そして銀河系の大きさを正確に測る必要があります。

16世紀初頭、コペルニクスが地動説を提唱するまで、天動説が支配的でした。地動説は当時、受け入れられませんでしたが、後世に大きな影響を与えました。ちなみに、コペルニクスは地動説の反論によって火刑に処せられたという話は有名ですが、これは誤りで、実際には病死しています。ただし、彼の支持者であるブルノは、異端として火刑に処されています。ブルノは、太陽も恒星の一つであり、宇宙には人類以外にも生命体が存在する可能性を主張しました。彼の主張は当時、異端とみなされ、1600年にローマで火刑に処せられています。

太陽系サイズの測定：金星凌日とハレー彗星の軌跡

太陽系の大きさを計算するのは容易ではありませんでした。コペルニクスが地動説を発表後、約100年間、太陽系の大きさはほとんど解明されませんでした。

転機となったのは、ケプラーの登場です。ケプラーは、1595年に太陽系各惑星の位置関係と比率を発見し、「天文単位」という概念を導入しました。地球と太陽間の距離を1天文単位と定義すれば、他の惑星の距離を計算できるようになりました。

1677年10月7日、ハレー彗星を発見したことで有名な英国天文学者エドモンド・ハレーは、金星凌日を利用して地球と太陽間の距離を測定する画期的なアイデアを思いつきました。金星凌日の観測によって、金星と太陽間の距離を算出し、そこから地球と太陽間の距離を導き出すという方法です。

しかし、金星凌日は非常に稀な天文現象であり、通常数十年おきに起こります。ハレーは、次の金星凌日が1761年と1769年になることを予測しましたが、自身はその時まで生きていないと悟りました。そこで、彼は金星凌日を観測できる場所を数十箇所予測し、後世の天文学者にその機会を提供しました。

1769年の金星凌日観測：世界的な協力と驚くべき成果

1769年、ハレーの予測通り、金星凌日が発生しました。1761年の観測は失敗に終わりましたが、1769年の観測は成功しました。航海士クック船長は、タヒチ島を最適な観測地点として選び、英国海軍はクック船長の観測を支援するために、海上の軍艦に観測を妨害しないよう命令を出しました。

世界中の天文学者によって得られた154組の有効な観測データは、フランスの数学者ラランドによって解析されました。1771年、ラランドは地球と太陽間の平均距離を1億5300万キロメートルと計算しました。これは、現在知られている1億4960万キロメートルに非常に近い値です。

こうして、世界はより正確な天文単位を持つことになりました。この天文単位を使って、太陽系各惑星の地球からの距離が計算され、太陽系の大きさは約60天文単位、つまり90億キロメートルと推定されました。

銀河系の大きさ：観測技術の発展と宇宙観の変遷

太陽系の大きさが判明したものの、人類の好奇心は止まりません。今度は、太陽系を含む銀河系の大きさに挑戦しました。

1781年、ウィリアム・ハーシェルは銀河系の観測を始めました。当時は、銀河系が宇宙全体だと考えられていました。銀河系の大きさが分かれば、宇宙の大きさが分かるというわけです。しかし、天文単位では銀河系の大きさを測るには不十分でした。

1838年、ドイツの天文学者フリードリヒ・ヴィルヘルム・ベッセルは、「光年」という新しい単位を用いました。光年とは、光が1年間に進む距離（約9.5兆キロメートル）です。ベッセルは、恒星61番星までの距離を地球から10.3光年と測定しました。この距離は、地球からの距離だけでなく、私たちが見ているのは10年前の姿であることを意味しています。

現在、私たちは太陽系が銀河系のごく一部であることを知っています。銀河系には約2000億個の恒星があり、太陽はその中の平凡な一つです。現代の科学技術をもってしても、太陽系の端まで到達するのは至難の業です。

ハーシェルの銀河系観測：銀河系の形状と太陽の位置

ウィリアム・ハーシェルは、600箇所以上の観測地点から星空を観測し、見える全ての星を記録しました。その結果、初めて銀河系の形状を描写することに成功しました。彼は、太陽系が銀河系の中心に位置すると考えました。彼の計算によれば、銀河系の長さは約6000光年でした。

その後、観測技術の発達により、20世紀初頭には銀河系の大きさは3万光年程度と推定されるようになりました。

シャプレー・カーティスの論争：銀河系は宇宙全体か？

1920年4月26日、シャプレーとカーティスは、「宇宙の大きさ」をテーマに、世紀の大論争を繰り広げました。この論争は、「シャプレー・カーティス論争」と呼ばれ、歴史に名を残すものとなりました。

シャプレーは、銀河系が宇宙全体であり、その大きさは30万光年だと主張しました。彼は、アンドロメダ銀河のような渦巻銀河は、銀河系の一部であると主張しました。

一方、カーティスは、銀河系は宇宙全体ではなく、アンドロメダ銀河のような渦巻銀河は、銀河系とは別の独立した天体であると主張しました。

カーティスは、多くの星雲内部に特に明るい天体があることに気づき、「新星」と名付けました。これは現在、白色矮星と呼ばれるもので、恒星の死の過程の一段階を指します。カーティスは、新星の明るさから、それらの星雲が銀河系よりもはるかに遠くにあると推論しました。

ハッブルの登場と宇宙膨張の発見

この論争は、4年後、エドウィン・ハッブルの登場によって決着しました。ハッブルは、六角形戦士とも称されるほど多才な人物でした。彼は、第一次世界大戦後、世界最高の望遠鏡を所有するウィルソン山天文台に所属しました。

1924年、ハッブルはアンドロメダ銀河（M31）の中に、セファイド変光星を発見しました。セファイド変光星は、明るさが周期的に変化する星であり、その周期と絶対的な明るさの関係が分かっているため、距離を測定するのに利用できます。

ハッブルはセファイド変光星を用いて、アンドロメダ銀河までの距離を測定し、それが銀河系外にあることを証明しました。これは、銀河系が宇宙全体ではないことを示す決定的な証拠でした。

ハッブルの法則と宇宙の年齢：加速膨張宇宙

ハッブルは、1928年の国際天文学連合会議で、宇宙膨張の理論を耳にしました。アインシュタインが一般相対性理論を発表した後、宇宙が膨張しているという計算結果が得られましたが、アインシュタイン自身は宇宙は静的なものだと信じていました。そこで、彼は自身の重力場方程式に宇宙項を導入し、計算結果を静的な宇宙に修正しました。

ハッブルはアインシュタインの宇宙項を信じず、自身の観測によって宇宙膨張の証拠を探しました。彼は、銀河の後退速度と距離の関係を示す「ハッブルの法則」を発見しました。銀河の後退速度は、地球からの距離に比例するのです。これは、宇宙が膨張していることを示す決定的な証拠でした。

ハッブルの法則から、ハッブル定数を求め、宇宙の年齢を約20億年と計算しました。しかし、これは地球の年齢30億年よりも短く、多くの天文学者にとって受け入れ難いものでした。

第二次世界大戦が始まり、ハッブルは再び軍務に就きました。彼の仕事は、別の科学者バデに引き継がれ、ハッブル定数は修正されました。バデの計算では、宇宙の大きさはハッブルの計算の2倍、半径120億光年、年齢は38億年となりました。

ハッブル宇宙望遠鏡と深宇宙画像：観測可能な宇宙の広大さ

1990年4月24日、ハッブル宇宙望遠鏡が打ち上げられました。ハッブル宇宙望遠鏡は、ハッブルにちなんで命名されました。

1995年、ハッブル宇宙望遠鏡は、10日間、北斗七星付近の小さな領域を撮影し続けました。その結果、324枚の画像が合成され、「ハッブルディープフィールド」という深宇宙画像が作成されました。この画像には、3000個以上の銀河が写っていました。これらの銀河は、銀河系と同様に、数千億個の恒星を持つ天体です。

3年後、ハッブル宇宙望遠鏡は「ハッブルウルトラディープフィールド」を撮影しました。この画像も、前作とほぼ同じ銀河の密度、構造、明るさを示しており、宇宙の均一性を示しています。これらの画像は、ハッブル宇宙望遠鏡がどの向きに撮影しても、同じような画像が得られることを証明しています。

2003年9月から2004年1月にかけて、ハッブル宇宙望遠鏡は天炉座方向を113日間撮影し続け、「ハッブルエクストリームディープフィールド」を作成しました。この画像には、1万個以上の銀河が写っており、その中には130億光年彼方の銀河もありました。これは、ビッグバン直後に形成された最初の銀河の一つです。

宇宙の年齢と膨張：加速膨張の謎

ハッブル深宇宙画像は、宇宙の銀河の総量を、それまでの推定値の1000倍以上である1000億個以上に修正しました。中には、まだ大規模な恒星形成が始まっていない非常に若い銀河もあります。この画像は、非常に若い宇宙の姿を示しています。

現在の天文学では、宇宙の年齢は138億年とされています。138億年前、宇宙は極めて高温高密度の状態にあり、それが瞬間的に爆発したことで宇宙が誕生しました。この爆発がビッグバンです。

現在、観測可能な宇宙の直径は約930億光年です。観測可能な宇宙には7000億以上の銀河が存在します。私たちの地球は、宇宙の広大な空間における微小な塵埃に過ぎません。しかし、930億光年は、人類の観測可能な範囲における宇宙の大きさです。

超巨大構造の存在と宇宙の謎：まだ解明されていない謎

宇宙の大きさを正確に知ることは、未だ困難です。ハッブル宇宙望遠鏡の最新の観測データによると、宇宙は一定の速度で膨張しているのではなく、加速膨張している可能性が高いです。

冒頭で述べた大環は、宇宙の均一性という従来の理論を覆す発見です。大環以外にも、数十億光年規模の巨大構造が発見されています。これらの巨大構造は、宇宙形成論の大きな謎となっています。

2021年には、ロペッツ氏のチームは、長さ33億光年の巨大構造「巨大クジラ」を発見しました。この巨大クジラと大環は非常に近く、両者がさらに大きな構造の一部である可能性が示唆されています。

宇宙誕生から38万年後に光が宇宙空間を自由に移動できるようになったことを考えると、ハッブル宇宙望遠鏡ではビッグバン直後の38万年前の宇宙を観測できません。

宇宙の真の姿を解き明かすには、更なる探求が必要です。いつか、宇宙誕生時の光を発見し、宇宙の謎を解き明かす日が来ることを願っています。