宇宙の始まりに迫る！ついに捕らえた「原始重力波」の痕跡

【頭P】

「天文学は宇宙からの“手紙”を読み取る学問だ。

“手紙”とは何か分かるかな？」

私が物理学の門を叩いて大学生になったばかりのころ、教授に問いかけられました。教授曰く、手紙は「光」。「宇宙から地球に届く光には、多くの情報が詰め込まれているんだよ」

こんにちは、福田大展です。「宇宙はどのように始まったのか？」。そんな物理の根源となる問いに迫る実験結果が18日未明、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターらの研究チームにより発表されました。今回の歴史的発見も、宇宙からの光を観測した実験によりもたらされました。なぜ光を見ただけで、宇宙の始まりが分かるのでしょうか。

宇宙はどのように始まったのか？

宇宙は最初、●のようにとても小さかったと考えられています。そして一気に膨張しました。この考え方を「インフレーション理論」と呼んでいます。その後、膨張にブレーキがかかり、宇宙が摩擦熱で超高エネルギー状態になりました。これが「ビッグバン」です。ビッグバンのころの宇宙は、超高温・超高密度の火の玉のようだったと考えられています。

雲はなぜ白いのか？

上を見上げてみてください。何が見えますか？天井と答えたあなたは、外に出てみましょう。春はもうすぐですよ。

雲が見えますか。何色ですか？黒い雲が見えるあなたは、屋根のあるところに避難しましょう。分厚い雲が大雨を降らせるかもしれません。

白い雲が見えるあなたは、よく観察してみてください。なぜ雲は白いのでしょうか？ 雲の正体は、水滴や氷の粒の集まりです。太陽の光が雲に入ると、水滴に反射して、いろんな方向に進みます。このあちこちに散らばった光が目に入るので、雲は白く見えるんです。

それでは、話を宇宙に戻しましょう。ビッグバンのころの超高エネルギーの宇宙では、電子が自由に飛び交っていました。なので、光は飛び交う電子と衝突して、まっすぐに進めません。光があちこちに散らばってしまうので、このころの宇宙は、白い雲に覆われたように見ることができないのです。

その後、宇宙ができて38万年後、飛び交う電子は電磁気力により陽子に捕らえられ、光がまっすぐに進めるようになりました。つまり、初期の宇宙にかかっていた霧が晴れ、宇宙からの光が見えるようになったのです。この瞬間を「宇宙の晴れ上がり」と呼びます。そして、若々しい宇宙の姿（といっても38万歳だが・・・）を伝えるこの光のことを「宇宙マイクロ波背景放射」と呼んでいます。

光では宇宙の晴れ上がり以降の宇宙しか観測できない

ここで、ある矛盾が生じます。宇宙から地球に届く光は、宇宙の晴れ上がりより後のものだけ。つまり、地球で光をとらえる望遠鏡では、「38万年より前の宇宙は調べられない」ことになります。おっと、行き詰まりました・・・。

？「あきらめるのは、まだ早いぜ！」

私「あ！あなたは！」

【写真：赤ネズミ】
？「ただの通りがかりの『赤ネズミ』さ」

私「ヒッグス粒子の記事で軽く登場した、赤ネズミさん！」

赤ネズミ「光にこだわる必要はねえ。インフレーションのときにうまれた『原始重力波』を探すんだ！また会おう」

私「ありがとう！赤ネズミさん！」

原始重力波とは

赤ネズミさんが言い残した「原始重力波」とは、いったい何なんでしょうか？インフレーションのとき、宇宙は一気に膨張したと書きましたが、凄まじい速さなんです。

「0.00000000000000000000000000000000001秒」という“一瞬”で 「100000000000000000000000000倍」に大きくなったんです！

そして昔、アインシュタインが予言しました。インフレーションによる急激な膨張で時空が歪められて、時空のゆらぎが波として伝わる「重力波」を生み出すと。その宇宙の初期のインフレーションのころに生み出された重力波のことを「原始重力波」と呼んでいます。この記事を書いている現在、まだ原始重力波を「直接」観測したことはありません。しかし、この原始重力波が、宇宙の晴れ上がりのころの若々しい光に、ある“痕跡”を残したのです。

光は決まった方向に振動するときがある

【写真：サングラス】

春を通り越して真夏のバカンス気分か！

夏の日差しがまぶしいときにサングラスをかけると、建物や地面に反射した光を遮れます。なぜ、まぶしくないのでしょうか？「偏光サングラス」には、レンズの間に「偏光膜」が挟まっています。偏光膜は細かいスリットが入った膜のこと。決まった方向にのみ振動する光である「偏光」を、振り分けることができます。

【図：偏光】

原始重力波が残した痕跡とは？

それでは、いよいよ核心に迫ります。「原始重力波が、宇宙の晴れ上がりのころの若々しい光に残した“痕跡”とは何か」。それは、いくつかの偏光の集まりが、決まった模様を作り出すんです。その模様の種類は2種類。ひとつは泉から水が「湧き出る」ような模様で、もうひとつは「渦」を巻いているような模様です。最初の湧き出る模様を「Eモード」、渦の模様を「Bモード」と呼んでいます。

【図：EモードとBモード】

この模様を作り出すのは、原始重力波だけではありません。宇宙の晴れ上がりのころの若々しい光には、微かに暖かい場所と冷たい場所があり、温度に“ムラ”があることが分かっています。しかし、温度の“ムラ”では、Eモードの模様しかできません。つまり、Eモードは原始重力波だけでなく、温度の“ムラ”によっても作られる。しかし、Bモードは原始重力波でしか作れません。（※1）だから、Bモードを観測することは、原始重力波を「間接的」に観測したことになるのです。

観測したデータ

それでは、観測したデータを見てみましょう。

【図：Bモードの観測データ】

これは、宇宙の晴れ上がりのころの若々しい光「宇宙マイクロ波背景放射」のBモードの偏光パターンと温度分布です。横軸と縦軸は光が放たれた位置を表しています。黒い線が偏光の方向。背景の色は温度分布を表していて、赤が温度が高いところ、青が低いところです。

渦を巻いてる！

宇宙の晴れ上がり前の宇宙を観測できるかも！

この実験で、原始重力波が作り出した痕跡である「Bモード偏光」を初めて観測しました。これにより、原始重力波を“間接的”に観測。初期の宇宙が急膨張した「インフレーション理論」の、実験的な証拠が初めて発見されました。このインフレーション理論を考えたのは、東京大学名誉教授の佐藤勝彦博士と、米宇宙物理学者のアラン・グース博士たちです。

「今後は直接、重力波を測定し、宇宙の生まれた瞬間の『写真』を出してほしい」

●新聞によると、佐藤博士は発表後にこう語っています。前に書いたように、「光」では38万年より前の宇宙は調べられません。しかし、もし原始重力波が“直接”観測できるようになれば、38万年より前のインフレーションのころの宇宙を観測できるかもしれないのです！楽しみですね。