戸谷 友則 (2018) 宇宙の「果て」になにがあるのか

  • 戸谷[とたに] 友則, 2018: 宇宙の「果て」になにがあるのか — 最新天文学が描く、時間と空間の終わり (ブルーバックス B2066)。講談社, 246 pp. ISBN 978-4-06-512499-4.

2018年7月の新刊。わたしは2019年5月に買った。地学概論の授業の教材をつくる参考にしている。

[ここから 2020-06-03]
この宇宙は空間的にどのくらいの大きさなのか、どんな形なのか、時間軸上でいつどのようにしてできたのか、これからどうなるのか、などを考える学問を宇宙論という。哲学の宇宙論もあるが、自然科学的宇宙論は、おもに理学部 物理学科のなかでおこなわれている。自然科学的宇宙論が空論でなく自然科学であるためには、観測事実のうらづけが必要だ。宇宙論に関連する観測をしているのは、おもに天文学科(宇宙物理学科ということもある)の人たちだ。著者は、物理学科で博士号をとって天文学科に就職した人であり、本書はこの両方の専門分野にわたる入門的解説だ。

ここから、わたしが理解した範囲での、この本に書かれていることの覚え書きである。わたしの誤解があるかもしれない。

第1章。光の速さは有限なので、宇宙のうち地球にまだ光がとどいていないところがどれだけひろがっているかはわからない。宇宙が空間的に有限か無限かさえわからない。宇宙の年齢は138億年とわかってきた。地球にとどく天体の光は138億年まえ以後のものなのだ。ここから見えるかぎりの空間のいちばん遠いところ(「宇宙の地平線」という)までの距離はここから138億光年だと思いがちだが(教科書的文献でもそう書いていることがあるが)、宇宙が膨張しているので、約464光年なのだそうだ(これはわたしは本書ではじめて知ったことで、まだ他の資料とつきあわせていないが)。

第2章。現代の宇宙論の基礎は一般相対論だ。重力は、時空のゆがみでもある。

第3章。宇宙論は、宇宙は空間的に一様 (どの部分も密度などが同様)、等方(どの方向にむかっても同様)という仮定にもとづくことが多い。この仮定が正しい保証はないが、観測事実からはよい近似でなりたっている。宇宙は時間的にも一様と考えられたこともあったが、観測事実から、宇宙は膨張していることがわかった。宇宙が膨張するとき、星や銀河など、重力その他の力でむすびついた天体の大きさが大きくなるわけではなく、そのあいだの空間がひろがっていく。(たとえとしては、風船のもようがひろがっていく絵ではなく、アリの乗った風船がふくらんでいく絵のほうがあっている。) 宇宙が膨張するぶんだけ物質もふえて体積あたりの状態は定常という宇宙論もあったが、いまでは、宇宙は非常に密度の高い状態からはじまったというビッグバン(big bang)宇宙論が定説となった。

第4章。ビッグバンがどのようにはじまったかはむずかしい問題だ。ただ、宇宙の空間のゆがみが小さいことを説明する理屈として、ビッグバンのあとの早い時期に、膨張が非常に速かった時期があったと考えられている(インフレーションという)。

第5章。ビッグバンのあと、陽子などの素粒子がつくられ、反物質がほとんど見られなくなる。それから原子核がつくられる。さらに、原子核と電子が結合した原子がつくられるともに、光が空間をまっすぐ進めるようになる(「宇宙の晴れ上がり」という)。そして、物質が重力によって集まり、核融合をおこして光を出す恒星がつくられる。

第6章。宇宙にはたくさんの銀河がある。銀河のなかで、恒星ができ、「主系列星」となったあと、星の質量の規模によってちがった「死にかた」をする。宇宙の歴史のなかで、星の形成が活発な時期があり、いまはそれよりは不活発になっている。

第7章。宇宙の観測。電磁波のうちで、もちろん可視光も使うが、低温の現象をみるのには赤外線や電波、爆発現象などをみるのにはX線やガンマ線も重要である。ニュートリノや、2015年に検出が報告された重力波からも、天体の情報が得られる。

第8章。宇宙の地平線にせまる遠方の天体としては、銀河のほかにクェーサー(quasar)が知られてきたが、現在ではガンマ線バースト(とよばれる天体)が重視されている。他方、宇宙背景放射からも宇宙に関する知見がえらえる。宇宙背景放射の可視光の部分のうち90%以上がすでに銀河として見えているものからきている。

第9章。宇宙論には「暗黒物質」と「暗黒エネルギー」という問題が残っている。宇宙の膨張はいまも(インフレーションというほどではないが)加速しているらしく、それは暗黒エネルギーがあるとすれば説明可能ではあるが、暗黒エネルギーがどんな物理的性質をもつものなのかはまだ謎である。

折りかえしのあとに くわしい目次をつける。

== 目次 ==
口絵
はじめに
もくじ
第1章 宇宙の果てとはなにか
– 人類の宇宙観の広がり
– 際限のない問いかけ
– 二つの「宇宙の果て」と地平線
– 地平線を越えて
第2章 時空の物理学 — 相対性理論
– 相対論と宇宙論
– 光の速さの摩訶不思議
– 特殊相対性理論の誕生
– 一般相対性理論への発展
– 重力と加速運動
– スペースシャトルの中はなぜ無重力?
– 重力とは、時空のゆがみ!?
– 一般相対論の完成とその実験的検証
第3章 宇宙はどのように始まったのか — ビッグバン宇宙論の誕生
– 相対論から宇宙論へ
– 宇宙は「一様かつ等方」
– 膨張宇宙論の誕生
– 観測による宇宙膨張の発見
– 宇宙の一様な膨張?
– 生涯最大の失敗
– ビッグバン宇宙論への発展
– 膨張するけど定常宇宙論!?
– 宇宙の始まりは熱かった?
– 宇宙マイクロ波放射とビッグバン宇宙論の確立
– ビッグバン宇宙論は完璧なのか?
第4章 宇宙はどうしてビッグバンで始まったのか? — 時空の果てに迫る
– ビッグバンの前にどこまで迫れるか
– ビッグバンの初期条件に関する問題
– 広大な宇宙を生み出すからくり
– どうしてインフレーションが起きたのか?
– インフレーション研究の困難さ
– 宇宙に始まりはあったのか?
– 重力の量子論と時空の誕生
– 時間とはなにか?
– 研究者は常にオプティミストである
– 空間方向へ広がる「宇宙の果て」は?
第5章 宇宙の進化史 — 最初の星の誕生まで
– 我々の宇宙の果てと宇宙の歴史
– 誕生後1000億分の1秒の宇宙
– 物質と反物質の壮絶な戦い
– バリオン生成の謎
– ビッグバン元素合成
– ガモフによる宇宙マイクロ波背景放射の予言
– 物質と光の逆転
– 水素原子の誕生と宇宙の晴れ上がり
– 宇宙の密度ゆらぎの起源
– 宇宙の大規模構造の誕生
– 初代星の誕生
– 暗黒時代の終わり
第6章 星と銀河の物語
– 銀河系の外に広がる宇宙
– 銀河とはなにか
– 星間空間にはなにがあるのか
– 銀河中心の巨大ブラックホール
– 銀河間空間にはなにがあるのか
– 星々の生涯 — 誕生から主系列段階まで
– 星々の生涯 — 主系列段階以降の運命
– 繰り返される星々の生と死
– 銀河の形成と進化の歴史
第7章 観測で広がる宇宙の果て
– 多様なメッセンジャーによる宇宙観測
– 可視光線での宇宙観測
– 低温の宇宙を見る — 赤外線と電波
– 爆発現象と極限天体を見る — X線とガンマ線
– 新しい宇宙を見る目 — ニュートリノ
– 時空のゆがみで宇宙を見る — 重力波
第8章 最遠方天体で迫る宇宙の果て
– 最も明るい天体で、最遠方宇宙に迫る
– 伝統の遠方天体クェーサー
– 銀河による最遠方天体の探査
– 颯爽と登場したガンマ線バースト
– これからどこまで見えるのか — 巨大科学の行き着く先
– 宇宙背景放射と宇宙の果て — 宇宙は何色?
第9章 宇宙の将来、宇宙論の将来
– 宇宙は将来どうなるのか
– 暗黒エネルギーによる宇宙膨張の加速
– 加速膨張を始めた宇宙の運命
– 銀河の運命
– 君は生きのびることができるか
– 宇宙論に残された問題
– 暗黒物質研究の展望
– 暗黒エネルギーという巨大な謎
– 暗黒エネルギーの解明に挑む
おわりに
さくいん

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