宇宙はなぜこんなにうまくできているのか

暗黒物質

スイスの天文学者フリッツ・ツビッキーが、1933年に指摘。
かみのけ座にある銀河団の総質量を計算した。
光の量から計算した質量と、運動速度から計算した質量を比較。
運動速度から計算した質量の方が、400倍も大きかった。
「光を発さず目に見えないけれど、質量のある物質」がある？

アメリカの天文学者ヴェラ・ルービン。
銀河の回転速度が、中心から遠く離れても遅くならないことを発見した。
（太陽系は秒速約220kmで回転している）
星や中心部のブラックホール以外にも、重力源がある？
その重力源は、中心から離れるほどたくさんある。

「重力レンズ効果」が暗黒物質の存在を裏付けた。
銀河の光が、手前にある暗黒物質の重力で曲げられて、複数に分かれて見えた。

暗黒物質は光を出さず、他の物質と反応しない。
銀河団と衝突しても、幽霊のように通り抜けてしまう。

→暗黒物質の正体は何か？
→暗黒物質はどうやって出現したのか？


暗黒物質検出装置「XMASS」（岐阜県神岡町）【調べる】


初期の宇宙には、暗黒物質の密度が濃い場所と薄い場所があった。
濃い場所に強い重力が働き、原子が引き寄せられて星ができあがった。

 ビッグバン理論

ロシアの物理学者アレクサンドル・フリードマンが1922年、
宇宙は膨張していると主張。減速膨張と等速膨張。

ベルギーの物理学者ジョルジュ・ルメートルが1927年、加速膨張を主張。
膨張で空間が広がり、宇宙にある物質の密度が低くなる。
そのため重力の影響が弱まり、膨張速度が上がる可能性を指摘した。

アメリカの天文学者エドウィン・ハッブルが1929年、
天体観測により宇宙の膨張を確認。
遠くの銀河の光がどれも、赤方偏移を起こしていることを発見した。
銀河が遠ざかる速度が、距離に比例することを発見。
（遠くの星ほど、速い速度で遠ざかる）
地球からの距離だけでなく、ある銀河同士にも当てはまっていた。
宇宙全体が膨らんでいる！

アメリカの物理学者ジョージ・ガモフが1946年、
「宇宙の始まりは超高温・超高密度の火の玉だった」という説を提案。
初期の宇宙では波長の短い電磁波が出され、現在もその「残り火」があると考えた。
宇宙が膨張して温度が下がり、「マイクロ波」まで波長が長くなっていると予想した。
「宇宙マイクロ波背景放射」と呼ばれる。

アメリカのベル電話研究所（現在のベル研究所）の研究員
アーノ・ペンジアスとロバート・W・ウィルソンが1964年、偶然宇宙背景放射を観測。
アンテナの雑音を減らす研究中に、正体不明の雑音をキャッチした。
2人は1978年、宇宙マイクロ波背景放射の発見者として、ノーベル物理学賞を受賞した。

NASAの天体物理学者ジョン・マザーとジョージ・スムートは2006年、
宇宙マイクロ波背景放射の観測でノーベル賞を受賞。
宇宙背景放射探査機「COBE」（コービー）（Cosmic Background Explorer）を使い、
1989〜1993年にかけて、マイクロ波を精密に観測した。
「むら」「ゆらぎ」を測定。ビッグバンがより確実になった。

NASAのウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機
「WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）」が、
2001年に打ち上げられ、「ゆらぎ」をより精密に測定。
そのほか、宇宙の年齢が137億年で、宇宙の直径が274億光年以上だと明らかにした。
また、宇宙全体にある暗黒物質の量もわかった。
→小松英一郎・マックス・プランク宇宙物理学研究所所長、IPMU上級科学研究員

ビッグバンで生まれた電磁波のゆらぎが、暗黒物質の濃淡を生み、
銀河が線のようにつながる「フィラメント構造」や、
銀河のない空っぽの部分「ボイド（泡）」を形成し、
「宇宙の大規模構造」を作り上げた。

宇宙の晴れ上がり

ビッグバンから1万分の1秒後で10兆℃。1秒後で100億℃。
光は存在するが、飛び交う電子に反応してぶつかり、外に出られなかった。
光がまっすぐ進めるようになったのは、ビッグバンから約38万年後。
宇宙が膨張して温度が下がり、粒子の速度が落ち着いてきた。
電子は陽子に捕まえられて、電荷が0になり、光が自由に直進して解き放たれた。
空を覆っていた分厚い雲にたとえて「宇宙の晴れ上がり」と呼ぶ。
宇宙背景放射のマイクロ波は、このときの光が引き伸ばされたもの。
なので、ビッグバンから38万年以内の宇宙は、望遠鏡では観測できない。

宙と粒の出会い

ガリレオが400年前に望遠鏡を夜空に向けて以来、
人間は天体からの光を通じて宇宙の謎を解明してきた。
その努力はここで「行き止まり」。
宇宙の起源を探る研究は、ここでおしまいなのでしょうか。
宇宙の晴れ上がりまでの38万年間は、人類の永遠の謎なのでしょうか。

人間は大昔から、天上にある星や太陽の謎を知ろうとする一方で、
地上にある物質の根源について考えてきました。
これ以上は分割できない物質の最小単位を素粒子と呼び、
性質や力の作用を研究しています。
これはまさに、ビッグバン当時の「極小の宇宙」を研究しているのと同じ。

小さな物質を扱う素粒子物理学は、大きな宇宙を相手にする天文学と別々に発展した。
両者を結びつけたのは、ビッグバン理論。
宇宙は昔は小さかったことがわかり、その謎を解くには素粒子の研究が不可欠に。
素粒子の謎をとく上でも、宇宙の研究が欠かせません。

宇宙の大きさは10の27乗ｍ。素粒子の大きさは10の−35乗ｍ。
「極大」と「極小」の研究が、同じ答えを求めて進められている。

顕微鏡で宇宙を探り、望遠鏡で素粒子を探る時代。
加速器は、望遠鏡では見られない宇宙のはじまりを観察する「宇宙を見る顕微鏡」。