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。

宇宙論の歴史

「天動説」から「地動説」へ

ポーランド出身の天文学者ニコラウス・コペルニクスが、
地球が宇宙の中心で、他の天体が地球の周りを公転しているとする「天動説」を覆し、
地球は太陽を中心に公転する惑星のひとつに過ぎないとする「地動説」を唱えた。
1543年の亡くなる直前に、「天体の回転について」を刊行した。
影響を恐れて死ぬ直前まで販売を許さなかった。

宇宙は何でできているのか

序章 ものすごく小さくて大きな世界

村山さんの問いかけ
「宇宙はどうやって始まったのだろう？」
「どういう仕組で動いているのだろう？」（基本法則はどのようなものだろう？）
「星は何でできているのだろう？」（物質は何でできているのだろう？）
「どうして、私たちはこの宇宙にいるのだろう？」
「宇宙は、これからどうなっていくのだろう？」

ガリレオ・ガリレオが1609年、初めて空に天体望遠鏡を向けた。
木星の4つの衛星を発見。地球が太陽を回っていてもおかしくないと考えた。
「天動説」から「地動説」への転換。

【宙と粒の出会い】
この世で一番大きいのが宇宙で、一番小さいのが素粒子。
宇宙は10の27乗ｍ、素粒子は10の-35乗ｍ。
宇宙研究と素粒子研究の間には62ケタもの「距離」がある。
まったく関係なさそうに見えるこの2つが、実は密接につながっている。
その背景にあるのが「ビッグバン宇宙論」。
宇宙の歴史をさかのぼると、サイズがどんどん小さくなる。
まさに「素粒子の世界」。
ギリシャ神話に登場する「ウロボロスの蛇」。自分の尾を飲み込んでいる。
古代ギリシャの「世界の完全性」を表すシンボル。
宇宙という頭が、素粒子という尾を飲み込んでいる。
宇宙の果てを追いかけると素粒子があり、
小さなものを追いかけると宇宙がある。

10^27　　観測できる宇宙のサイズ
10^23　　銀河団
10^20　　天の川銀河
10^11　　太陽系
10^7 　　地球
10^3 　　富士山
10^-1　　りんご
10^-10 　原子
10^-15 　原子核
10^-19 　クォーク
10^-35　 ひも理論での素粒子

第1章 宇宙は何でできているのか

「天上」と「地上」は「別の世界」ではない。
遠くの星も地球と同じものでできている。
だから物質の根源を探る素粒子研究と、宇宙研究がつながる。
物質が同じなら、支配する物理法則も同じ。
「天上」と「地上」に違いはない。

第5章 暗黒物質、消えた反物質、暗黒エネルギーの謎

暗黒物質は、反応の弱い重い粒子
「Weakly Interacting Massive Particle」だと考えられている。
軽い超対称性粒子が暗黒物質の有力候補のひとつ。

XMASS
液体キセノン1ｔを丸い機械の中に入れ、
ノイズをシャットアウトするために、水のタンクに吊るします。
液体キセノンの原子核に、暗黒物質がぶつかるのを待つ。
ぶつかると、わずかに光が生じる。その光をキャッチする。

▼宙と粒の出会い
加速器での検出と、観測装置での捕捉。
両方がそろって、データが一致したときに、
暗黒物質の正体が初めて明らかになる。
宇宙から届く暗黒物質と、実験室でつくられた暗黒物質は、
まさに「ウロボロスの蛇」の頭と尻尾だと言える。

あとがき

「こんなことを調べて、何の役に立つんだ？」
いつもこう答えています。
「日本を豊かにするためです」
豊かには、経済的な意味だけでなく、心、精神、文化の豊かさも含んでいます。

1億年、サバ読んでました

この地図に描かれているのは、宇宙ができてから38万年後、
「宇宙の晴れ上がり」直後の宇宙の姿だ。
これまで、宇宙の年齢は137億歳だと言われてきたが、
今回の観測結果から見積もられた年齢は138億歳。
実は、1億年以上も高齢だとわかった。

宇宙望遠鏡「プランク」

ヨーロッパ宇宙機関（ＥＳＡ）が2009年に打ち上げた宇宙望遠鏡「プランク」が観測した。とらえたのは、ビッグバンの“残り火”と比喩される「宇宙マイクロ波背景放射」だ。

 宇宙マイクロ波背景放射とは

話は、宇宙が誕生したばかりのころまで、さかのぼります。ビッグバン宇宙論によると、宇宙の始まりは超高温・超高密度の火の玉。光で満ち溢れていました。しかし、光は飛び交う電子と衝突してしまい、まっすぐ進むことができません。

ここで、雲を想像してみましょう。雲はなぜ白く見えるのでしょうか？雲の正体は小さな水滴の集まり。光が水滴にぶつかり、まっすぐに進めず乱反射するために、白く不透明に見えるのです。

話を戻すと、ビッグバン直後の光は電子にぶつかりまっすぐ進めないため、雲がかかったように不透明でした。やがて宇宙が膨張して温度が下がると、ばらばらだった素粒子が結びつきます。宇宙が誕生して38万年、原子核と電子が結びついて原子ができると、光がまっすぐに進めるようになりました。宇宙にかかっていた“雲”が晴れて透明に。この瞬間を「宇宙の晴れ上がり」と呼びます。そして、このときの光は宇宙の膨張にともなって波長が引き伸ばされ、「マイクロ波」として現在も地球に届いているのです！この光こそが「宇宙マイクロ波背景放射」です。ちなみに、宇宙マイクロ波背景放射はテレビや携帯電話のノイズとして、毎日のように受信するほど身近な存在なんです。

宇宙マイクロ波背景放射で見た宇宙地図

バーベキューで炭を温めたことはありますか？パチパチと音を立てて燃え上がる炭は、赤く輝いていますよね？物体は温度に応じた色で輝きます。なので光のスペクトル分布を調べることで、温度が分かります。最初の図は、宇宙誕生から38万年後の宇宙にあった「温度のむら」を示しています。赤い色ほど高温で、青い色ほど低温を表しています。その差はわずか数千分の1℃。しかし、そのわずかな温度のむらが、暗黒物質の密度の濃淡を生み、星や銀河ができあがったと考えられています。


【今回分かったこと】
▼温度のむらが不均一
温度の違いを強調すると、図のようになる。宇宙論の標準的なモデルでは、温度のむらの分布はどの方向でも同じはず。しかし、この観測結果によると、画像の白線の上下で、温度のむらに差があるように見える。また右下には「コールドスポット」と呼ばれる温度が低い領域がある。温度のむらがなぜ不均一になったかは、まだわかっていない。

▼暗黒物質、暗黒エネルギーが占める割合


▼膨張速度が遅くなった（ハッブル定数）



（キープ）
プランク衛生はWMAPよりも細かく見分ける能力（角度分解能）が2〜3倍高い。

【データ】
　宇宙年齢：137.96億±5800万歳
　割合：物質（4.81％）暗黒物質（25.7％）暗黒エネルギー（69.3±1.9％）
　ハッブル定数：67.9±1.5 [(km/s)Mpc]
　宇宙の曲率：平坦
　ニュートリノの種類：3種類


【人】杉山直・名古屋大理学研究科教授
　　　小松英一郎・マックス・プランク宇宙物理学研究所所長

宇宙人に宛てた金色の円盤

the Golden Record

地球から遠く離れ孤独な旅を続ける、宇宙探査機「ボイジャー1号」。
木星と土星を調べる当初の役割を終え、新たな夢を託されています。
新たなミッションは、地球以外に住む知的生命体に“手紙”を届けること。
地球の生命や文化を伝える音や画像が収められた「ゴールデンレコード」。
金色の円盤を見つけた“宇宙人”は、何を思うのでしょうか。

地球から最も遠い人工物体「ボイジャー1号」

“人類最大の冒険”と聞いて、何を思い出すでしょうか？
私は迷わず、これを思い出します。
「地球から最も遠い距離に到達した人工物体」
孤独な“独り旅”を続ける、無人探査機「ボイジャー1号」のことを。

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」。