宇宙の始まり、そして未来 - 宇宙理論研究室

宇宙の始まり、そして未来
東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 須藤 靖
つくばエキスポセンター秋季プラネタリウム記念講演会
2009年10月3日 14:00-15:00 ＠つくばエキスポセンター
今回の話の内容
1.
宇宙は137億歳：
宇宙には始まりがある
2.
宇宙は加速しながら膨張している：
宇宙の主成分はダークエネルギー
3.
星空が見えなくなる?：
予想される宇宙の未来
4.
夜空のムコウ：
天文学とは?
1. 宇宙は137億歳
宇宙には始まりがある
let there be light
„
旧約聖書 創世記 天地創造
„
„
„
初めに、神は天地を創造された。
地は混沌であって、闇が深淵の面に
あり、神の霊が水の面を動いていた。
神は言われた。 「光あれ。」 こうし
て、光があった。
カリフォルニア大学
バークレー校のロゴ
宇宙の始まり？
„
始まりがあるとすると
なぜ始まったのか？
„ 始まりの前は何だったのか？ を聞きたくなる
„
„
「神様なしで」このような難問を避けるには、
始まりも終わりもなくずっと同じ状態のまま
„ 生まれては死ぬ、を無限に繰り返す
„
のどちらかだと考えたほうがずっと自然
„ にもかかわらず宇宙は137億年前に始
まったことは観測的に確か
ハッブルの法則の発見
„
エドウィン ハッブル (1889-1953)
„
遠方の銀河はその距離に比例した速度で
遠ざかっていることを発見 (1929年)
http://www.mtwilson.edu/History
ハッブルの法則の意味：膨張する宇宙
„
宇宙が全体として膨張している観測的証拠
ある銀河がたまたま我々から遠ざかっている
のではない
„ 我々が爆発する領域の中心にいるのでもない
„ 宇宙そのものがあらゆる場所で全体として膨
張している
„
ハッブルの法則と宇宙年齢
„
ハッブル定数の逆数は
宇宙年齢の目安
v
d
H 0 = 70 km/s/Mpc
≈ 1 /(140億年 )
1
d
d
=
≈ 140億年
tH = =
v H 0d H 0
後退速度が一定
ならば、d/vだけ
過去に遡れば宇
宙全体が一点に
集まる
宇宙には始まりがある！進化する！
宇宙の歴史
38万年
２億年
„
１3７億年
宇宙膨張によって密
度と温度が下がる
„
現在
ＣＭ
ＭＢ
Ｂ温
温度
度
Ｃ
ゆら
らぎ
ぎ
ゆ
軽元素合成
宇宙
宙の
の誕
誕生
生
宇
宇宙の再電離
ｔ
光が支配する宇宙
から物質が支配する
宇宙へ
宇宙
宙の
の大
大構
構造
造
宇
銀河団の形成
銀河の形成
第一世代
天体の誕生
量子ゆら
ぎの生成
„
ｔ≒3分： 軽元素（ヘリウム）
合成
„
ｔ≒38万年 ：電離した宇宙が
中性化 （陽子＋電子 から
水素原子）
„
ｔ≒4億年：第一世代天体の
誕生
„
ｔ≒10億年 ～ 137億年： 星
形成（重元素合成）、銀河・
銀河団形成
あらゆるものは宇宙のなかで誕生と
死を繰り返す：宇宙での物質循環
イラスト： 羽馬有紗
我々は星の子供！
宇宙の歴史は我々の体に刻まれている
かに星雲
1054年に起こった
星の爆発の痕跡
の観測データ
„
„
人間の体をつくっている元素は、137億年前の
宇宙で生まれ、数十億年ほどに星々の中で合
成され、その後宇宙を旅してきた
その星はずっと前に爆発して今はない
ではその前は？
～特異点定理と
古典論の限界～
„
„
„
„
英国のロジャー・ペンローズとスティーブン・ホーキング
によって、一般相対論によれば初期特異点（宇宙の始
まり）が存在することが証明された（1970年）。
しかしそのような初期宇宙では現在知られている物理
学はそのままでは成り立たないと考えられている
より進んだ物理学（量子重力理論）の完成を待たなくて
は、本当の意味での宇宙の始まりは理解はできない
つまり宇宙がなぜ始まったかはわかっていない
2. 宇宙は加速しながら膨張している
宇宙の主成分はダークエネルギー
宇宙の大きさ
宇宙の加速膨張
万有斥力?
宇宙定数?
暗黒エネルギー?
一般相対論の破綻?
時間
宇宙ってどうなっているんだろう？
„
見えない先はどうなっているのか
古代エジプト
仏教
古代インド
イラスト： 羽馬有紗
„
みんな知りたいのに答えが（まだ）ない謎
宇宙は何からできているか？
„ もう一つの地球はあるか？
„ 生物はどうやって生まれたのか？
„
宇宙を見る目の進歩 (1)
地上５m望遠鏡＋写真乾板
100万×人間の眼
宇宙を見る目の進歩 (2)
地上4m望遠鏡＋CCD：
100×写真乾板
宇宙を見る目の進歩 (3)
ハッブル宇宙望遠鏡
宇宙を見る目の進歩 (4)
ハッブル宇宙望遠鏡＋CCD：
1000×地上望遠鏡
遠くの宇宙は
過去の宇宙
137億年
10億年
4億年～7億年
宇宙の誕生
宇宙マイクロ波背景輻射
第一世代天体
原始銀河
銀河宇宙
宇宙の組成と宇宙膨張の未来
„
„
宇宙膨張の観測を通じて宇宙の成分がわかる
ハッブルの法則をもっと遠く（＝もっと昔）まで調べる
宇宙の
サイズ
?
宇宙の
サイズ
?
等速膨張
減速膨張
高密度（重力が強い）宇宙
低密度（重力が弱い）宇宙
時間
時間
宇宙の
サイズ
加速膨張
?
宇宙の
サイズ
万有斥力が働く宇宙
時間
高密度（重力が強い）宇宙
加速収縮
?
時間
宇宙のダークエネルギー
„
宇宙の主成分： 全エネルギーの4分の3
„
ダークマターとは異なり、空間的に局在しない
„
„
„
例えば、本来何もないはずの真空自体が持っているエネル
ギーのように、宇宙全体を一様にみたしている
宇宙の加速膨張源： 実効的に「万有斥力」
„
1917年にアインシュタインが導入した宇宙定数はその一例
„
正体は不明
ダークエネルギーは、いまだ理解していない新
たな物理学を探る重要な道しるべ
宇宙はダークエネルギーで満ちている
„
„
宇宙は膨張している（1927年）
その膨張速度は加速している（1998年）
„
„
宇宙を加速させている原因がダークエネルギー
宇宙最大の謎
宇宙の組成観
の変遷
1990年代
ダークエネルギー
21世紀初頭
1980年代
バリオン以外の
1970年代
ダークマター
光を出さない
バリオン
星・銀河
（バリオン）
z 重力レンズ：ダークマター
z 超新星：ダークエネルギー
z マイクロ波背景輻射：
ダークマター、ダークエネルギー
宇宙の96パーセントは正体不明
宇宙の
サイズ 宇宙の加速膨張（1998年発見）
減速膨張 万有斥力?
宇宙定数?
ダークエネルギー?
一般相対論の限界?
137億年
„
ガリレオもアインシュタインも知らなかったこと
„
„
„
時間
万有引力をおよぼす正体不明の物質（ダークマター）
万有引力ではなく万有斥力をおよぼす「正体不明の何
か」がもっと大量にある（ダークエネルギー）
答えは誰も（まだ）知らない、でもわくわくする疑問
3. 星空が見えなくなる？
予想される宇宙の未来
予想もできない将来があるかも
„
最初に起こるのはどれだろう
地球文明の破滅 （いったん発達した文明は、
伝染病、核戦争、資源の枯渇などの要因で
不安定）
„ 実験室での人工生物の誕生
„ もう一つの地球、宇宙、生命の発見
„
„ 地球外生物の天文学的発見
„ 地球外文明からの交信の検出
„
高度に発展した地球外文明の有無を知る
ことは、我々の未来を知ることに等しい
宇宙に終わりはあるか？
„
「始まり」があるのならば、「終わり」もあるはず
„
„
„
文明の終わり： 人類（文明）はそれよりはるか以前
に、疫病、核戦争、資源の枯渇などによって実質的
に消滅しているであろう
地球の終わり： 50億年後には、太陽は地球の公転
軌道ほどのサイズの赤色巨星になり、地球は飲み込
まれる
宇宙の終わり： ダークエネルギーがすべてを決める
無限に膨張を続ける ⇔ 宇宙の密度が0に漸近する空虚
な宇宙？
„ やがて収縮に転じる ⇔ 初期特異点のように密度が発散
し、それ以後の時間発展が記述できない宇宙？
„
宇宙の未来
日経サイエンス 2008年6月号 The End of Cosmology ? L.M.Krauss ＆ R.J.Scherrer
宇宙の未来
日経サイエンス
2008年6月号
The End of Cosmology ?
L.M.Krauss＆R.J.Scherrer
„
„
„
„
„
50億年前
50億年後
宇宙の加速膨張始まる
太陽が一生を終え、地球を飲み込む
天の川銀河とアンドロメダ銀河が衝突
1000億年後 超銀河形成、他の銀河は視界から消える
100兆年後 恒星が燃料を使い果たして消失
1037年後
物質を構成している陽子が崩壊
4. 夜空のムコウ
天文学をする心
この青空のムコウに何があるのだろう
アイザック・アシモフ著 「夜来る」
恐ろしい暗闇が訪れた
我々は宇宙の中心
我々は何も知らなかった
イラスト： 羽馬有紗
„
„
2000年に一度しか夜が来ない“地球”の人たち
自分たちの“地球”と宇宙との関係は？
国立天文台ホームページより
2009年7月22日 皆既日食
「我々は何も知らなかった」
33
理科（科学）の目的
テストで良い成績をとるためではない
„ 難しい質問を出して、その理由を無理やり
教えるためでもない
„ 興味が持てないことを無理やり覚えさせる
のでもない
„ 世の中が不思議な謎にあふれていることに
気づく
„
答えはわからなくてもいい
„ 自分で考えることの楽しさを伝えたい
„
答えを知るより、謎に気づく心が大切
眼は、いつでも思った時にすぐ閉じることが
できるようにできている。
しかし、耳のほうは、自分では自分を閉じる
ことができないようにできている。
なぜだろう。
（大正十年三月、渋柿）
寺田寅彦 1878年11月28日～1935年12月31日
高知県出身
東京帝国大学物理学教授
役に立たなくてもいい！
„
面白い疑問ならいいじゃない！
„
„
„
「耳がなぜ自分では閉じられないか」がわかったとし
ても何かの役に立つとは思えない
ほとんどの科学者は、役に立つからやっているので
はなく、面白いと思うから、楽しいと感じるから研究
している
答えを知らないことは恥ずかしくない
„
„
不思議なことなのにそれを不思議であると気づかな
い鈍感さこそ恥じるべき
誰も答えを知らない疑問を見つけたらすばらしい
「不思議さ」を大切にする
„
„
残念ながら、大人になると不思議だと思う気持ち
を忘れてしまう
„
携帯電話やカーナビはなぜ動作する？
„
なぜ眉毛は生えている？
„
死んだら「心」はどうなってしまう？
„
宇宙の果てには何がある？
どんな大人だって子供の頃があった
（でもそのことを覚えている人はほとんどいない）
„
サンテグジュペリ「星の王子様」の書き出しの文章
「わかったつもり」の大人にだけはならないで
「わかったつもり」の大人にだけはならないで
この青空の向こうに何かがあるはず
この星空の向こうにも何かがあるはず
この銀河宇宙の果てに何があるのだろう
Seldner, Siebers,
Groth, and Peebles,
1977, AJ, 82, 249.