続々:2011年ノーベル物理学賞! どうして宇宙が膨張しているとわかるの?

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【詳報】2011年ノーベル物理学賞!宇宙は加速膨張している!」「続:【詳報】2011年ノーベル物理学賞!どうやって宇宙の加速膨張を観測したの?」の続々編です。

来館者の方々にも楽しんでいただくため、ミニトークを作りました。そこで、小道具を用意しましたので、そのご紹介をしましょう。

前々回の記事で、「宇宙は膨張している」というハッブルの観測「宇宙は静止している」という当時の常識を打ち破ったことをお話ししました。

天文学者ハッブルは、

①遠い銀河が遠ざかっていること

そして

②遠ければ遠いほど速く遠ざかっていること

から宇宙膨張を導き出したのです。

 

膨張しているのは空間

宇宙が膨張している、というとき、のびていっているのは空間です。天体が大きくなったりするわけではありません。また銀河も、重力によって縛られているので、宇宙の膨張とともに大きくなっていくわけではありません。

銀河や重力によって束縛された天体が、引きのばされる空間上に乗って遠くへと飛んでいっているのです。

その様子を表したのが、↓の画像。

小さな宇宙模型を考えましょう。50センチの小さな宇宙です。右端の黒い円盤が私たちの銀河系で、それと近い方からA、B、Cと3つの銀河があり、それぞれ10センチ、20センチ、30センチのところに銀河があったとします。この宇宙が1秒間で2倍の大きさになるとしましょう。例えば50センチが1メートルに膨張。

すると、3つの銀河は1秒間でそれぞれ、Aは10センチ先に移動して20センチのところに位置するようになります。Bは20センチ先、Cは30センチ先に移動します。もともと遠いところにあった銀河ほど、移動距離が長くなります。

つまり、遠ざかる速度が、距離に比例するわけです。

面白いのは、地球からどの方向を見ても、同じように遠ざかっていっていることです。まるで地球が宇宙の中心であるみたいに。

でもそれは錯覚。上の動画をもう一度見てみてください。例えばAの銀河にとっては、CはBの2倍の速さで遠ざかっています。Aから見ると、Aが宇宙の中心であるかのように見えるのですね。

 

光の波長をみれば宇宙の大きさがわかる

さて、宇宙空間がのびていると、遠い銀河ほど速く遠のいていくということがわかりました。では、どうやってその速さを測るのでしょうか。

これが前々回お話ししました「赤方偏移」

宇宙空間上を旅する光の波は、空間がのびるにつれ一緒にのびていきます。(波長がのびると赤色を帯びてきますので、赤方偏移といいます。)

こちらの動画をごらんください。

50センチの宇宙が1秒間で1メートルになったとすると、空間は2倍になっていますので、波長も2倍になります。(実際の宇宙は2倍の大きさになるのに何十億年もかかります)

でも膨張する速度はずっと一定とは限りませんので、さらに1秒後には宇宙は2メートル以上になっているかもしれませんし、2メートル以下になっているかもしれません。しかし、その膨張の分だけ、光の波長も着実にのびていきます。

つまり、遠くの銀河からやってくる光の波長が、最終的にどれだけのびたかを見れば、現在の宇宙の大きさと比べた当時の宇宙の大きさがわかるのです。

というミニトーク、未来館フロアで行っております。機会があればぜひ見にいらしてくださいね!

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この記事への3件のフィードバック

大変素晴らしい解説でした。

宇宙に凄く興味を持ちました。来週にでも行けたら未来館に行こうと思います。

宇宙は加速的に膨張するとのことですが、その形状がどうなっているか興味を持ちました。

球状で放射状に膨張しているのか?あるいは楕円状?

また高精度の測定を行えば宇宙の中心もわかるのでは?と思いました。(この辺はもうわかっている?)

MmMさま

大変鋭くていらっしゃいます。

宇宙の形状を知る手がかりとして、空間の曲率があります。曲率がなければ平坦ですし、曲率が正であれば球体のような表面が考えられますし、負であれば双曲線状に反り返っている表面です。(2次元表面を3次元表面に置き直す必要がありますが)

WMAPなどの観測結果から、曲率はゼロに近い、つまり平坦に近い宇宙であることがわかっていますが、本当に平坦かどうかは、もっと調べてみないとわかりません。でも観測には誤差がつきものですので、確実にゼロかを決めるのはなかな難しいかもしれませんね。

上記はローカルでのお話ですが、宇宙全体の形状が球体のような閉じた宇宙になっているのか、開いた宇宙になっているのかは、また別の課題になります。数学的にはいろいろな形状が考えられるので、想像をめぐらせると面白いですね。

また、宇宙の形状や膨張を考えていると、宇宙の外に何かがありそうな感覚になりますが、それは必ずしも何かが「ある」というわけではないのですね。

それでは未来館のフロアでお待ちしております!

林田

私は4次元宇宙(4次元球)のモデルを考えてハッブル定数を計算してみました。その結果72(㎞毎秒/MPC)最新のハッブル定数は67.15±1.2(㎞毎秒/MPC)です。おどろいたことに我々からモデル宇宙の中心(宇宙誕生の時点)までの距離と光速で後退する天体までの距離が等しくなりました。

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