Image: Chelsea Beck/Gizmodo US

はるか遠い宇宙の、さらに一番遠いところについて。

月面着陸や火星旅行...「いつか宇宙に行ってみたい!」という想いは、誰もが一度は抱いたことがあるのでは? なかには「いままで誰にも打ち明けたことがないけれど、じつは宇宙の果てのことも気になっていたんだ...」なんて人もいるかもしれません。

今回のGiz Asksでは、そもそも“宇宙の端っこ”とはどこなのか、そこには何があるのか、宇宙の果てにたどり着いたらどうなるのか...などなどの素朴な疑問について宇宙論、物理学の専門家に聞いてみました。

キーワードはやはり、ビッグバン。宇宙の果てまで想いを馳せると、気になるのは“観測可能な宇宙”のさらにその先のこと。誰も知らない、見たことがない世界だからこそますます興味深いわけですが、そもそもわたしたちに答えを知る術はあるのか...。宇宙には端っこがあるのかないのか=宇宙は有限なのか無限なのかという大きなテーマにぶつかります。宇宙のはるかか彼方を考えるうえで、時間との関係性も忘れちゃいけません。

1. 宇宙の果て=観測の限界

Sean Carroll

カリフォルニア工科大学物理学研究教授 。とりわけ量子力学、重力、宇宙論、統計力学、基礎物理の研究に従事。

私たちの知る限り、宇宙に端はありません。観測できる範囲には限りがあるので、そこがわたしたちにとって“宇宙の果て”になるといえます。

光が進むスピードが有限(毎年1光年) であるため、遠くのものを見るときは時間的にも遡ることになります。そこで見られるのは約140億年前、ビッグバンで残った放射線。宇宙マイクロ波背景放射とよばれるもので、わたしたちを全方向から取り巻いています。でもこれが物理的な"端"というわけではありません。

わたしたちに見える宇宙には限界があり、その向こうに何があるのかはわかっていません。宇宙は大きな規模で見るとかなり普遍ですが、もしかすると文字通り永遠に続くのかもしれません。もしくは(3次元バージョンの)球体か円環になっている可能性もあります。もしこれが正しければ、宇宙全体の大きさが有限であることにはなりますが、それでも円のように始点も終点も端もないことになります。

わたしたちが観測できないところで宇宙は普遍的でなく、場所によって状態が大きく異なる可能性もあります。これがいわゆる多元宇宙論です。実際に確認できるわけではないですが、こうした部分にも関心を広げておくことが重要だといえます。

2. 宇宙に果てはない

Jo Dunkley

プリンストン大学物理・天体物理科学教授。宇宙の起源と進化など宇宙論の研究に従事。

(上に)同じく、宇宙には果てなるものがないと考えられるでしょう。

各方面に向かって無限に広がっているか、おそらく包み込むかたちになっている可能性が考えられます。いずれにしても、端はないことになります。ドーナッツ表面のように、宇宙全体に端がない可能性があります(が、3次元での話です。ドーナッツ表面に関しては2次元なので。)このことはつまり、どんな方向に向けてロケットを飛ばしても良いことになりますし、長いあいだ彷徨ったあげく元の地点に戻ってくることも可能だということになります。

実際に見える宇宙の範囲として、観測可能な宇宙と呼んでいる部分もあります。その意味では、宇宙の始まりから私たちのもとへ光が届くまでの時間がなかった場所が端になります。もしかするとその向こうはわたしたちの身の回りで見られるものと同じ超銀河団で、無数の星や惑星が浮かぶ巨大な銀河であるかもしれません。

3. 宇宙の果て=もっとも古い光のなかに見える何か

Jessie Shelton

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校物理・天文学助教授。天体物理学、宇宙論の研究に従事。

宇宙の端をどう定義するかにもよります。光のスピードが有限であるため、宇宙の果てを見つけようとすると時間を遡ることになります。アンドロメダ銀河を見るとき、現在の様子こそわかりませんが、アンドロメダの星が光を放射したのを望遠鏡で観測することができたため、約250万年前に起きていたことはわかります。

わたしたちに見えるもっとも古い光は、もっとも遠いところから届いています。そのため宇宙の果てというのはある意味、わたしたちに届くもっとも古い光のなかに見える何かなのかもしれません。すなわち、ビッグバン後かすかに残存する光、宇宙マイクロ波背景放射です。光子が熱い電離プラズマ内の電子間を飛び交うのをやめて地球に流れはじめたことから最終散乱面とよばれていますが、これこそが宇宙の果てだともいえるでしょう。

いま、宇宙の果てに何があるのか。その答えは、わかりません。何十億年も先の未来まで、光が届くのを待たなくてはならないのです。それに宇宙はますますスピードを上げながら膨張しているので、わたしたちはいまの段階では推測することしかできないのです。広い意味で私たちの宇宙はどこから見ても同じように見えます。おそらくいま観測可能な宇宙の端から宇宙を見ようとすると、わたしたちがここから見ているのとほぼ同じ宇宙の様子が見えるはずです。このため、宇宙の果てから見えるものは単純に、より大きな宇宙、銀河、惑星なのだと推測できます。同じような疑問を抱く生命体だって存在するかもしれませんね。

4. “端”は複数ある

Michael Troxel

デューク大学物理学助教授。観測的・理論的宇宙論の研究に従事。

宇宙はおそらく無限のサイズであるにも関わらず、実際は"端"なるものが複数あるといえるでしょう。

宇宙が無限だとすれば、"果て"はないことになります。もしも宇宙が紙のように平らだったり、オープンな空間だったりしたら、本当に限りがないといえます。もしクローズドな空間であれば、限りがあることになります。

しかし、ある方向に向かって突き進んでいって最終的には元の地点に戻ったら、球体の表面を移動するかのような状態が想定できます。ホビットのビルボが"道はどこまでも続くよ/ドアより出る始まりの場所から"と言うように。

しかしわたしたちにとって、宇宙の"果て"なるものがふたつあります。一般相対性理論によると、すべてのものは毎時およそ6億7000万マイルという光速を含めて速度には限界があるといいます。また宇宙は各方向にむかって膨張していて、時間が進むにつれてそのスピードは速まると考えられています。このことはつまり、遠くのものを観察するとき、その物体のほうから光が届くには時間がかかる(距離を光速で割る)ことにつながります。宇宙が膨張していることを踏まえると、光が到達するあいだに光の移動距離が増えることになるのです。

このため、宇宙の最初(約137億年前)に放出された物体からの光を観察できるもっとも遠い距離、すなわち470億光年ほど(1光年は地球から太陽までの距離の約63,241倍)離れた共動地平線とよばれるものについて考える必要があるでしょう。

また見方を微妙に変えてみると次の通り。もし光の速さでメッセージを送ったら、もっとも遠い惑星の誰かが受け取ることになるのか。これは興味深いところだといえます。宇宙の膨張率は過去に戻るには減速しますが、未来では加速するためです。

たとえメッセージが永遠に誰かのもとに届かず彷徨うことになっても、今から160億光年前に向かうことになります。これがいわゆる事象の地平線です。

観測可能なもっとも遠い惑星はたった25000光年しか離れていないので、宇宙に存在しているかもしれないほかの生命体に挨拶できる可能性はやはり残っています。しかし、現在の望遠鏡が特定できる最遠距離にある最遠距離は、私たちからたった約133億光年の銀河にあたります。したがって、宇宙の果てがどこで、何があるのかは今のところ誰にもわかりません。

5. 宇宙の果て=地平線

Abigail Vieregg

シカゴ大学カブリ宇宙物理学研究所助教授。

地球から望遠鏡を使って、わたしたちは遠い宇宙のどこかから届く光を見ることができます。光源が遠いほど、光が到達するまでの時間が長くかかります。遠い場所を見ようとすると、今日の様子ではなく光がつくられたときのその場所の様子を見ることができるのです。より遠くを望むには、時間を遡ることになります。

ただし見ることができるのは、ビッグバンから数十万年後の場所に達するまで。それ以前(星や銀河が存在するずっと前)、宇宙は非常に暑く密度が高かったため光が弱く、最新の望遠鏡からであっても見ることはできません。この場所こそが、観測可能な宇宙の端で、 ときに地平線とよばれています。その先に何があるかは見えないのです。時間の経過につれて、地平線は変化します。ほかの惑星からこの地平線を見ようとしても、地球から見るのとだいたい似たような景色が見えるはずです。地平線、ビッグバン以来経過した時間、光速、そして宇宙がどのように広がったかなど。

今日の地球の地平線にあたるのはどこか。わたしたちにはわかりません。わかるのはビッグバン直後であって、今日の様子ではないためです。ただ、観測可能な宇宙を含め、わたしたちに見える宇宙のすべては星、銀河、銀河団、その他多くの"空"の空間など今日の私たちから見る宇宙とほぼ同じに見えるというように考えられています。いっぽうで今日の地球から観測できる範囲よりも宇宙ははるかに大きく、宇宙は果てしないものだというようにも考えられています。

6. その答えはまだない

Arthur B. Kosowsky

ピッツバーグ大学物理学教授 。宇宙論、理論物理学関連の研究に従事。

宇宙においてもっとも基本的な特性のひとつとして、時間が挙げられます。さまざまな測定から、現在137億年と考えられています。光が一定の速度で伝播することを踏まえても、初期の光線が今日まで特定の距離を進んだことがわかります。(地平線までの距離)光線よりも速いものはないことから、相対性理論に従う原理上は地平線までの距離こそがわたしたちが観測できるなかでもっとも遠い地点だといえます。

この距離からくる光源が、いわゆる宇宙マイクロ波背景放射です。マイクロ波背景の原点までの距離以外で宇宙には"果て"がないことがわかっているため、宇宙は地平線までの距離よりもずっと壮大で、わたしたちが観測できる範囲よりもずっと遠くに宇宙の果ては存在するのだろうというように推定されています。でも、この考えが正しいかはわかりません。観測可能な宇宙は比較的一様で普遍的だという考えとは少し矛盾しているかもしれません。

残念ながら、わたしたちにはまだ宇宙に果てがあるのかないのかという問いに対する妥当な答えがありません。もし果てがあるとしたら、それはずっと遠く宇宙の歴史全体という時間をかけてもなおわたしたちのもとに到達しないほど遠い場所だといえます。現段階では、観測できる宇宙の全体でなく一部を端として考えるほかないのかもしれません。