第29章ビッグバンThe Big Bang

One issue that worried astronomers is that Penzias and Wilson were measuring the background radiation filling space through Earth’s atmosphere. What if that atmosphere is a source of radio waves or somehow affected their measurements? It would be better to measure something this important from space.

天文学者が心配した点の一つは、ペンジアスとウィルソンが、空間を満たす背景放射を地球の大気越しに測っていたことだった。大気そのものが電波源だったり、何らかの形で測定に影響したりしていたらどうだろうか。これほど重要なものなら、宇宙から測るほうがよい。

The first accurate measurements of the CMB were made with a satellite orbiting Earth. Named the Cosmic Background Explorer (COBE), it was launched by NASA in November 1989. The data it received quickly showed that the CMB closely matches that expected from a blackbody with a temperature of 2.73 K (Figure 29.17). This is exactly the result expected if the CMB was indeed redshifted radiation emitted by a hot gas that filled all of space shortly after the universe began.

CMBの最初の精密な測定は、地球を回る衛星によって行われた。宇宙背景放射探査衛星COBEと名付けられ、NASAが1989年11月に打ち上げた。受信したデータはすぐに、CMBが2.73Kの黒体に予想される放射と、よく一致することを示した（図29.17）。これは、宇宙誕生後まもないころ、空間全体を満たした高温ガスが放った放射が赤方偏移したものこそCMBだとすれば、まさに予想される結果である。

The first important conclusion from measurements of the CMB, therefore, is that the universe we have today has indeed evolved from a hot, uniform state. This observation also provides direct support for the general idea that we live in an evolving universe, since the universe is cooler today than it was in the beginning.

したがって、CMBの測定から得られる第一の重要な結論は、現在の宇宙が、確かに高温で一様な状態から進化してきたということだ。宇宙は初めより今のほうが冷えているので、この観測は、私たちが変化する宇宙に住んでいるという考え自体も、直接支持している。

It was known even before the launch of COBE that the CMB is extremely isotropic. In fact, its uniformity in every direction is one of the best confirmations of the cosmological principle— that the universe is homogenous and isotropic.

COBEが打ち上げられる前から、CMBが極めて等方的なことは知られていた。実際、どの方向でも同じという性質は、宇宙が一様かつ等方的であるという宇宙原理を確かめる、最良の証拠の一つである。

According to our theories, however, the temperature could not have been perfectly uniform when the CMB was emitted. After all, the CMB is radiation that was scattered from the particles in the universe at the time of decoupling. If the radiation were completely smooth, then all those particles must have been distributed through space absolutely evenly. Yet it is those particles that have become all the galaxies and stars (and astronomy students) that now inhabit the cosmos. Had the particles been completely smoothly distributed, they could not have formed all the large-scale structures now present in the universe—the clusters and superclusters of galaxies discussed in the last few chapters.

しかし理論によれば、CMBが放たれたとき、温度は完全に一様ではありえなかった。CMBは、脱結合の時点で宇宙の粒子に散乱された放射である。放射にまったくむらがなかったなら、粒子も空間に完全に均等に分布していたはずだ。だが、その粒子こそが、今、宇宙にある銀河、恒星、そして天文学の学生になったのである。粒子が完全に均等に分布していたなら、ここ数章で論じた銀河団や超銀河団のような、現在の宇宙の大規模な構造を作れなかったはずだ。

The early universe must have had tiny density fluctuations from which such structures could evolve. Regions of higher-than-average density would have attracted additional matter and eventually grown into the galaxies and clusters that we see today. It turns out that these denser regions would appear to us to be colder spots, that is, they would have lower-than-average temperatures.

初期宇宙には、こうした構造へ育つ、小さな密度のゆらぎがあったはずである。平均より密度の高い領域は、さらに物質を引き寄せ、やがて現在見える銀河や銀河団へ成長しただろう。こうした高密度の領域は、私たちには冷たい斑点、すなわち平均より低温の領域に見えることになる。

The reason that temperature and density are related can be explained this way. At the time of decoupling, photons in a slightly denser portion of space had to expend some of their energy to escape the gravitational force exerted by the surrounding gas. In losing energy, the photons became slightly colder than the overall average temperature at the time of decoupling. Vice versa, photons that were located in a slightly less dense portion of space lost less energy upon leaving it than other photons, thus appearing slightly hotter than average. Therefore, if the seeds of present-day galaxies existed at the time that the CMB was emitted, we should see some slight variations in the CMB temperature as we look in different directions in the sky.

温度と密度が関係する理由は、次のように説明できる。脱結合のとき、やや高密度の領域にいた光子は、周囲のガスが及ぼす重力から逃れるために、エネルギーの一部を費やさなければならなかった。エネルギーを失った光子は、当時の全体の平均温度より、少し冷たくなった。反対に、やや低密度の領域にいた光子は、そこを離れるときに失うエネルギーが少なく、平均より少し熱く見える。したがって、CMBが放たれたときに、現在の銀河の種がすでにあったなら、空の方向を変えて見ると、CMBの温度にわずかな違いがあるはずだ。

Scientists working with the data from the COBE satellite did indeed detect very subtle temperature differences—about 1 part in 100,000—in the CMB. The regions of lower-than-average temperature come in a variety of sizes, but even the smallest of the colder areas detected by COBE is far too large to be the precursor of an individual galaxy, or even a supercluster of galaxies. This is because the COBE instrument had “blurry vision” (poor resolution) and could only measure large patches of the sky. We needed instruments with “sharper vision.”

COBE衛星のデータを扱った科学者は、CMBに約10万分の1という、極めて微妙な温度差を実際に検出した。平均より低温の領域にはさまざまな大きさがあるが、COBEが検出した最小の領域でさえ、個々の銀河はもちろん、超銀河団のもとになる領域としても大きすぎる。それは、COBEの装置の「目がぼやけて」、分解能が低く、空の大きな区画しか測れなかったためである。もっと「目の鋭い」装置が必要だった。

The most detailed measurements of the CMB have been obtained by two satellites launched more recently than COBE. The results from the first of these satellites, the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) spacecraft, were published in 2003. In 2015, measurements from the Planck satellite extended the WMAP measurements to even-higher spatial resolution and lower noise (Figure 29.18).

CMBの最も詳しい測定は、COBEより後に打ち上げられた二つの衛星によって得られた。最初の衛星、ウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機WMAPの結果は2003年に発表された。2015年にはプランク衛星の測定が、WMAPより高い空間分解能と低い雑音で観測を進めた（図29.18）。

Theoretical calculations show that the sizes of the hot and cold spots in the CMB depend on the geometry of the universe and hence on its total density. (It’s not at all obvious that it should do so, and it takes some pretty fancy calculations—way beyond the level of our text—to make the connection, but having such a dependence is very useful.) The total density we are discussing here includes both the amount of mass in the universe and the mass equivalent of the dark energy. That is, we must add together mass and energy: ordinary matter, dark matter, and the dark energy that is speeding up the expansion.

理論計算によれば、CMBの高温・低温の斑点の大きさは宇宙の幾何学的な形に、したがって全密度に依存する。これは決して自明な関係ではない。結び付けるには、本書の水準をはるかに超える相当に高度な計算が必要だが、この依存関係があることは非常に役立つ。ここで扱う全密度には、宇宙の質量と、暗黒エネルギーの質量換算分の両方を含める。つまり、通常の物質、暗黒物質、膨張を加速させる暗黒エネルギーを、質量とエネルギーとして合わせなければならない。

To see why this works, remember (from the chapter on Black Holes and Curved Spacetime) that with his general theory of relativity, Einstein showed that matter can curve space and that the amount of curvature depends on the amount of matter present. Therefore, the total amount of matter in the universe (including dark matter and the equivalent matter contribution by dark energy), determines the overall geometry of space. Just like the geometry of space around a black hole has a curvature to it, so the entire universe may have a curvature. Let’s take a look at the possibilities (Figure 29.19).

これがなぜ成り立つか、「ブラックホールと曲がった時空」を思い出そう。アインシュタインは一般相対性理論で、物質は空間を曲げることができ、曲がりの大きさは存在する物質の量に依存すると示した。したがって、暗黒物質と暗黒エネルギーの質量換算分を含む宇宙の物質の総量が、空間全体の幾何学的な形を決める。ブラックホールの周囲の空間に曲がりがあるのと同じように、宇宙全体にも曲がりがあるかもしれない。どんな可能性があるか見てみよう（図29.19）。

If the density of matter is higher than the critical density, the universe will eventually collapse. In such a closed universe, two initially parallel rays of light will eventually meet. This kind of geometry is referred to as spherical geometry. If the density of matter is less than critical, the universe will expand forever. Two initially parallel rays of light will diverge, and this is referred to as hyperbolic geometry. In a critical-density universe, two parallel light rays never meet, and the expansion comes to a halt only at some time infinitely far in the future. We refer to this as a flat universe, and the kind of Euclidean geometry you learned in high school applies in this type of universe.

物質の密度が臨界密度より高ければ、宇宙はいずれ再び潰れる。そのような閉じた宇宙では、初めは平行だった2本の光線が、やがて出会う。この幾何学を球面幾何学と呼ぶ。物質の密度が臨界値より低ければ、宇宙は永遠に膨張する。初めは平行だった2本の光線は離れ合い、これは双曲幾何学と呼ばれる。臨界密度の宇宙では、平行な2本の光線は決して出会わず、膨張は無限に遠い未来にだけ停止へ近づく。これを平坦な宇宙と呼ぶ。この型の宇宙には、高校で学ぶユークリッド幾何学が当てはまる。

If the density of the universe is equal to the critical density, then the hot and cold spots in the CMB should typically be about a degree in size. If the density is greater than critical, then the typical sizes will be larger than one degree. If the universe has a density less than critical, then the structures will appear smaller. In Figure 29.20, you can see the differences easily. WMAP and Planck observations of the CMB confirmed earlier experiments that we do indeed live in a flat, critical-density universe.

宇宙の密度が臨界密度に等しければ、CMBの高温・低温の斑点の典型的な大きさは、約1度になるはずだ。臨界密度を上回れば1度より大きく、下回れば小さく見える。図29.20では、その違いがよくわかる。WMAPとプランクのCMB観測は、私たちが平坦な臨界密度の宇宙に住んでいるという、先行する実験の結果を確認した。

Key numbers from an analysis of the Planck data give us the best values currently available for some of the basic properties of the universe:

プランクのデータ解析から得られた主要な値は、宇宙の基本的な性質のいくつかについて、現在得られる最良の値を与えている。

Note that this value for the Hubble constant is slightly smaller than the value of 70 kilometers/second/million parsecs that we have adopted in this book. In fact, the value derived from measurements of redshifts is 73 kilometers/second/million parsecs. So precise is modern cosmology these days that scientists are working hard to resolve this discrepancy. The fact that the difference between these two independent measurements is so small is actually a remarkable achievement. Only a few decades ago, astronomers were arguing about whether the Hubble constant was around 50 kilometers/second/million parsecs or 100 kilometers/second/million parsecs.

このハッブル定数は、本書で採用した70km/s/100万パーセクより、少し小さいことに注意しよう。実際、赤方偏移の測定から得られる値は73km/s/100万パーセクである。現代の宇宙論は、この食い違いを解消するために科学者が懸命に取り組むほど、精密になっている。二つの独立した測定の違いがこれほど小さいこと自体、実は目覚ましい成果だ。ほんの数十年前には、ハッブル定数は50km/s/100万パーセクなのか、それとも100km/s/100万パーセクなのか、天文学者が議論していたのである。

Analysis of Planck data also shows that ordinary matter (mainly protons and neutrons) makes up 4.9% of the total density. Dark matter plus normal matter add up to 31.5% of the total density. Dark energy contributes the remaining 68.5%. The age of the universe at decoupling—that is, when the CMB was emitted—was 380,000 years.

プランクのデータ解析は、主に陽子と中性子からなる通常の物質が、全密度の4.9％を占めることも示した。暗黒物質と通常の物質を合わせると31.5％、残る68.5％は暗黒エネルギーである。脱結合時、すなわちCMBが放たれた時点の宇宙年齢は、38万年だった。

Perhaps the most surprising result from the high-precision measurements by WMAP and the even higher-precision measurements from Planck is that there were no surprises. The model of cosmology with ordinary matter at about 5%, dark matter at about 25%, and dark energy about 70% has survived since the late 1990s when cosmologists were forced in that direction by the supernovae data. In other words, the very strange universe that we have been describing, with only about 5% of its contents being made up of the kinds of matter we are familiar with here on Earth, really seems to be the universe we live in.

WMAPの高精度の測定と、さらに精度を上げたプランクの測定で最も驚くべき結果は、意外な結果がなかったことかもしれない。通常の物質が約5％、暗黒物質が約25％、暗黒エネルギーが約70％というモデルは、超新星のデータによって宇宙論研究者がこの方向へ導かれた1990年代末から、生き残ってきた。言い換えれば、中身のわずか5％ほどしか地球で馴染みのある物質でできていないという、ここまで説明してきた非常に奇妙な宇宙こそが、実際に私たちの住む宇宙らしいのである。

After the CMB was emitted, the universe continued to expand and cool off. By 300 to 400 million years after the Big Bang, the very first stars and galaxies had already formed. Deep in the interiors of stars, matter was reheated, nuclear reactions were ignited, and the more gradual synthesis of the heavier elements that we have discussed throughout this book began.

CMBが放たれた後も、宇宙は膨張して冷え続けた。ビッグバンから3〜4億年後までには、最初の恒星と銀河がすでに形成されていた。恒星の奥深くでは物質が再び熱せられ、核反応が始まり、本書を通して論じてきた重い元素の、よりゆっくりした合成が始まった。

We conclude this quick tour of our model of the early universe with a reminder. You must not think of the Big Bang as a localized explosion in space, like an exploding superstar. There were no boundaries and there was no single site where the explosion happened. It was an explosion of space (and time and matter and energy) that happened everywhere in the universe. All matter and energy that exist today, including the particles of which you are made, came from the Big Bang. We were, and still are, in the midst of a Big Bang; it is all around us.

初期宇宙モデルを巡るこの短い旅を、注意点で締めくくろう。ビッグバンを、巨大な星の爆発のような、空間の特定の場所で起こる爆発だと思ってはいけない。境界はなく、爆発が起きた一つの地点もなかった。空間そのもの、そして時間、物質、エネルギーの爆発が、宇宙のあらゆる場所で起きたのである。あなたを作る粒子も含め、現在存在する物質とエネルギーは、すべてビッグバンから来た。私たちはビッグバンの中にいたし、今もその中にいる。それは私たちの周りのあらゆる場所にある。