宇宙膨張距離名前

私たちの宇宙が膨張していることを見つけたのは、アメリカのハッブルで1929年のことでした。ハッブルは1917年に完成し、その当時世界一の大きさの大望遠鏡だった、ウィルソン山天文台の2.5mの反射望遠鏡を用いて、私たちの銀河系の外にある、銀河の研究をしていました。 1990年代後半には、この手法でIa型超新星までの距離を求めることで、宇宙が過去数十億年にわたって加速膨張してきたことが明らかになっている。「クエーサーを標準光源として使う方法には非常に大きな可能性があります。今回の研究では、ハワイにあるケック天文台の最新の望遠鏡システムを使用した。この装置は、地球の大気によって引き起こされる歪みを補正し、空にある物体の非常に鮮明な画像を返すことができる反射鏡を使用している。G. 宇宙は科学者の予測を上回る速さで膨張しており、ある天体物理学者はそれを｢宇宙論の危機｣と呼んだ。新しい望遠鏡の技術とnasaのハッブル宇宙望遠鏡のデータを使った新たな研究でも、この問題が確認された。科学者たちは、彼らの理論と測定値の間の矛黒い点はそれぞれ星を表していて、横の軸を「それぞれの星と地球との距離」、縦の軸を「それぞれの星が地球から遠ざかる速さ」を示している。このグラフから、星がグラフの右側にあるほど（地球からの距離が離れているほど）、その星はよりグラフの上に位置している（より速いスピードで地球から離れて行っている）ことがわかる。$「その星が地球から遠ざかる速さ」＝　H（ハッブル定数）×　「その星と地球との距離」$ただ、ハッブル定数の単位が$1/s$ということから、大まかな考え方で、それを逆数にしてやれば、天体が進んだにしろ、宇宙が広がったにしろ、大体のこれまでにかかった時間がわかるのではないかという推測がたつ。実際、計算してみるとうまくいきそうだ。先ほど単位を$1/s$に揃えてやったハッブル定数の逆数をとり、単位を$Year$に変えてみよう。天文台で宇宙を観測していたハッブルは、遠くにある星ほど速いスピードで地球から離れて行っていることを発見した。それに関するグラフがこれだ。これならどうだろうか、真ん中にある分数の分母は時間なので単位は$1/s$となる。そうするとやっていることは、ハッブル定数の入った式$v=H\times r$の計算と同じなのである。ハッブル定数などという小洒落たものが入っているけども、実際は車の速さを計算する式と同じようなものだ。厳密には違うと思う、なぜなら僕たちの周りの天体が自ら進んで距離を伸ばしていると考えるよりも、宇宙全体が膨張しているために地球と天体の距離が離れて行っていると考える方が良いそうだ。$$=1.39×10^{10}Years となる、これは139億年のことである。$$世の中にはよく知らないだけで、知ってしまえば「なーんだそういうことか」となるものが多いのではないかと思う。周りには、新しいことをやるときに怖がらせる人が多すぎる。友だちや家族、会社の人をついつい怖がらせていないだろうか。僕も知らないうちに、新しくチャレンジする心の芽を摘んでしまっているかもしれない。そうはならないようにしよう。本当に難しいのなら、その人自身で体験してもらいたいし、難しくてもその人の能力や環境には適しているかもしれない。そんなことだれにもわからないのだ。どうせなら、そういった人たちの背中を押す存在になりたいと思う。$$\frac{1}{H} \frac{s}{1}×\frac{min}{60s}×\frac{hour}{60mins}×\frac{day}{24hours}×\frac{Year}{365days}$$これで単位が$1/s$となった、これは時間の逆数（分子と分母をひっくり返したもの）ということである。でもよくよく考えれば、当たり前のことなのである。このようにきれいに一直線に並んだグラフは、簡単な数式で表すことができる。Favorite Philosopher is Descartes.そもそも天体の距離はどうやって測るのか疑問に感じられた方は下の記事をご覧になってください。ハッブルというのは人の名前だ。彼は天文台を使って、宇宙が広がっていることを発見した張本人である。宇宙は静止していると信じていたアインシュタインは、宇宙が静止するように宇宙に関する方程式に”ある操作”を加えたのだが、ハッブルの発見により「あれ（方程式の操作）は人生最大の失敗だった」と言わしめることとなった。この方程式に関することは、また別の機会に取り上げてみることにしよう。$$車の速さ＝\frac{1}{これまでかかった時間}\times これまで進んだ距離$$現在、そのハッブル定数は大体$70.5km/(s・Mpc)$となっているらしい。ここで$「Mpc」$って何ぞや？と思うかもしれないけど、これは言ってしまえば長さだ。メガパーセクと呼び、メートルに直すと$3.09×10^{22} m$となる。何でこんなまどろっこしいことをするのかというと、メートルという単位は宇宙を扱うにはいささか短すぎるのだろう。ということになる。この直線における傾きが $H（ハッブル定数）$となっている。$$H=70.5\frac{km}{s・Mpc}\times \frac{1000m}{km}\times \frac{Mpc}{3.09 \times 10^{22}m}=2.28 \times 10^{-18} (\frac{1}{s})$$実際は、宇宙は加速しながら膨張しているらしいので、この数値よりもう少し小さな値になるようだ。137億年だったか。ただ、考え方としては意外とシンプルだと思う。宇宙の膨張を加速と捉えず、膨張速度が一定だと仮定して、ハッブル定数を少しいじってやるだけで大体の宇宙の年齢を計算することができたのだった。その$「Mpc」$をメートルに変えてやると、分母と分子の距離の単位（mとkm）が消え、ハッブル定数の単位を$1/s$に直すことができる目的：ハッブルの法則を使って宇宙の年齢を計算する。宇宙を学んでいると、ハッブルという名前がたくさん出てくる。ハッブルというのは人の名前だ。彼は天文台を使って、宇宙が広がっていることを発見した張本人である。宇宙は静止していると信じていたアイン「クエーサーを標準光源として使う方法には非常に大きな可能性があります。クエーサーを使えばIa型超新星よりもずっと遠くの宇宙を観測できますから、より初期の宇宙の歴史を探ることができます」（Lussoさん）。今回Risalitiさんたちは、ESAのX線宇宙望遠鏡「XMMニュートン」の過去の観測データから7000個以上のクエーサーのX線データを集め、これをスローン・デジタル・スカイサーベイ（SDSS）による地上からの紫外線観測の結果と組み合わせた。さらに、XMMニュートンやNASAのX線宇宙望遠鏡「チャンドラ」、「ニール・ゲーレルス・スウィフト」で得られた、より遠方や比較的近傍のクエーサーのデータも利用した。これら大量のデータから最終的に1600個のクエーサーを選び出し、紫外線とX線の明るさからクエーサーまでの距離を求めた。口径60mm、焦点距離750mmのマクストフ・カセグレン式反射望遠鏡。カバーを開けると鏡筒のなかを確認でき仕組みを学べます。スマートフォンアダプター付き。惑星をCMOSカメラで動画撮影し、ステライメージ8で美しく仕上げるこのように、真の明るさと見かけの明るさの差から距離を測ることができる天体は「標準光源」と呼ばれている。最もよく知られている例は「Ia型超新星」だ。Ia型超新星の真の明るさはどれも同じと考えられているため、ピンポイントで距離を知ることができる。1990年代後半には、この手法でIa型超新星までの距離を求めることで、宇宙が過去数十億年にわたって加速膨張してきたことが明らかになっている。「約120億年の範囲にわたっているクエーサーのサンプルと、より近い80億年前までの範囲をカバーするIa型超新星のサンプルを組み合わせて分析したところ、両方の天体が存在する最近の宇宙では、宇宙膨張の速度はどちらの天体から求めても似た結果になりました。しかし、クエーサーしかない初期宇宙については、クエーサーの観測から導いた実際の膨張速度と標準モデルの予測との間に食い違いがあることがわかりました」（Lussoさん）。PCソフトで撮影＆処理。明るい場所でもできる星雲・星団撮影を初歩から解説Risalitiさんたちは、分析成果を改善するためにより多くのクエーサーが将来観測されるのを心待ちにしている。またESAでは、2022年に宇宙望遠鏡「ユークリッド」の打ち上げを予定している。「ユークリッド」は100億年前までさかのぼって宇宙膨張の様子を観測し、ダークエネルギーの正体を調べる予定だ。これによっても新たな手がかりが得られることだろう。このような食い違いは、現在の宇宙の膨張速度を表す「ハッブル定数」の値についても最近見つかっている。超新星や銀河団など、近傍の宇宙の観測から導いたハッブル定数が、CMBの観測から導いた値と合わないのだ。こうした食い違いを解消するためには、標準宇宙モデルに新たなパラメーターを追加する必要があるかもしれない。「考えられる解決策の一つは、標準理論では一定とされているダークエネルギーの密度が、時代とともに増えると仮定することです。このモデルは、宇宙膨張の歴史に見られる矛盾とハッブル定数の矛盾とを同時に解決できる興味深いものです。しかし、最終的な審判はまだ下されていません。この宇宙の難題を解くにはもっとたくさんのモデルを詳しく検討すべきでしょう」（Risalitiさん）。この標準宇宙モデルを構築する基礎となったのは、約138億年前に起こったビックバンの熱放射の名残である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の観測と、より地球に近い（＝時代が新しい）宇宙で得られた観測データだ。地球に近い宇宙の観測で得られる情報には、超新星爆発や銀河団の観測データや、遠方の銀河の像が重力レンズ効果で歪む効果の観測データなどがある。こうした観測結果は、今から約90億年前までの「最近」の宇宙膨張の様子を調べるのに使われる。クエーサーが放つ紫外線とX線の明るさの間には、一定の関係があることが以前から知られていた。3年前、RisalitiさんとLussoさんは、この関係を使えば、クエーサーが放つ紫外線の「真の明るさ」がわかるので、見かけの明るさと真の明るさの差からクエーサーまでの距離を見積もることができることに気づいた。多くのクエーサーまでの距離がわかれば、宇宙膨張の歴史を調べることもできる。日本のすばる望遠鏡などがあるハワイ・マウナケア山頂の星空を切り絵風にアレンジしてデザインした手ぬぐい現在の標準宇宙モデルでは、人体や惑星、恒星などを形作っている「普通の物質」（バリオン）は宇宙全体のエネルギーの数パーセントしか占めていないとされている。宇宙の全エネルギーの約4分の1は、重力は及ぼすものの電磁波では観測できない「ダークマター」が担っていて、残り4分の3は宇宙の加速膨張を現在も引き起こしている「ダークエネルギー」という謎の物質が占めているとみられる。クエーサーは、銀河中心にある超大質量ブラックホールが周囲から猛烈な勢いで物質を吸い込み、桁外れの明るさで輝いている天体だ。物質がブラックホールへ落ち込むと、その周囲に降着円盤が形成され、円盤内の物質が摩擦で加熱されて可視光線や紫外線を強く放射する。円盤の周りに存在している光速に近い電子がこの紫外線とぶつかると、紫外線の光子はさらにエネルギーの高いX線となる。今回、伊・フィレンツェ大学のGuido Risalitiさんと、英・ダーラム大学のElisabeta Lussoさんたちの研究チームでは、宇宙膨張の歴史を調べる新たな指標として「クエーサー」を利用することで、近傍宇宙とビッグバン直後の宇宙の間にある観測の「空白域」を埋め、約120億年前までの宇宙膨張の様子を調べた。本当に宇宙膨張が不均一なのだとすれば、その犯人として研究チームが疑うのが、宇宙を構成する全エネルギーのおよそ69%を占める「ダークエネルギー」である。その正体はほとんどわかっていないが、過去数十億年間に宇宙膨張を加速させてきたのではないかと考えられている。口径60mm、焦点距離750mmのマクストフ・カセグレン式反射望遠鏡。カバーを開けると鏡筒のなかを確認でき仕組みを学べます。スマートフォンアダプター付き。Migkasさんたちは様々な方向にある313個の銀河団を選び、ヨーロッパ宇宙機関（ESA）のX線宇宙望遠鏡「XMMニュートン」とNASAのX線観測衛星「チャンドラ」の観測データから銀河団内の超高温ガスの温度を計測し、米独英によるX線観測衛星「ROSAT」がX線で観測した銀河団の明るさと比較した。惑星をCMOSカメラで動画撮影し、ステライメージ8で美しく仕上げるPCソフトで撮影＆処理。明るい場所でもできる星雲・星団撮影を初歩から解説これまでの研究から熱い銀河団ほど明るいという関係があることがわかっており、銀河団の温度と明るさをグラフにすると、そのグラフの形から宇宙の膨張速度を表すハッブル定数を求めることができる。そこで、研究チームはまず313個の銀河すべてのデータからハッブル定数を求め、次に天球上に視直径45度や60度などの円を置いて、円の場所を少しずつずらしては、円内に入る銀河団だけに絞って同じようにグラフの形を調べた。もし宇宙があらゆる方向で同じ速度で膨張しているのであれば、どこの円でもグラフの形は同じはずだが、実際には方角によって違う、すなわちハッブル定数の値が方向によって異なっているという結論が得られた。シナリオの一つは、未検出のガスや塵の雲の影響で一部の銀河団が暗く見えているというものだ。ただし、別の波長で観測した研究でも似た結論が得られていることから、Migkasさんはその可能性は非常に低いとみている。もう一つのシナリオは、銀河団がさらに集まって形成する「超銀河団」が強力な重力で周囲の銀河団の移動速度を変化させているというもので、研究チームではその影響は無視できると分析しつつも、さらなる研究による検証が必要であると認めている。このような違いが生じた原因として、方向によって宇宙膨張の速度が異なる可能性が挙げられている。しかし、これは宇宙論の等方性で想定されるばらつきの範囲を超えている。研究チームの見方は慎重だ。Migkasさんは記事を寄稿し、こう述べている。「私たちは宇宙論を支える最重要な柱の一つを破壊したのでしょうか？ちょっと待ってください、そんなに単純ではないのです。私たちを間違った結論へ導いたシナリオが少なくとも2つ想定されます」。「もし、この宇宙が本当に不等方だとすれば、それが過去数十億年間に限られていたとしても、研究における革命的な出来事と言えます。あらゆる天体の特徴を分析するにあたって、それぞれが位置する方向を考慮しなければいけないのですから。たとえば、遠方の天体までの距離を見積もるときには一連の宇宙論的定数や方程式を適用しますが、現在はそれらがどこでも等しいと誰もが信じています。しかし、私たちの結論が正しければそれは覆り、過去の研究をすべて見直さなければいけません」（Migkasさん）。「現在の宇宙が全ての方向で同じように膨張しているわけではないという可能性は、過去の研究から示唆されていました。しかし今回初めて、銀河団のX線からそれが検証されました。その意味は大きく、将来の研究の可能性を大きく広げるものです」（XMMニュートン・プロジェクトサイエンティスト Norbert Schartelさん）。宇宙は局所的には違いはあっても、大きなスケールで全体を見ればどの方向も同じような性質を示しているというのが「等方性」であり、宇宙膨張の速度にもこれが成り立つと考えられる。この原理は基礎物理学に基づいていて、ビッグバンの名残である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の観測からも支持されている。CMBは誕生から38万年後という幼少期の宇宙の状態を反映するもので、全天で均一な分布が見られることから、初期宇宙はすべての方向に同じ割合で急速に拡がったはずだと考えられている。日本のすばる望遠鏡などがあるハワイ・マウナケア山頂の星空を切り絵風にアレンジしてデザインした手ぬぐいESAはダークエネルギーの性質の解明を目指す宇宙望遠鏡「ユークリッド」の打ち上げを2022年に予定している。ユークリッドは数十億個の銀河を撮像できるように設計されていて、宇宙の加速膨張を詳しく調べる。その観測から、宇宙を不均一に膨張させている原因が暗黒エネルギーである証拠が得られるかもしれない。また、過去の発見の数々が果たして正しいか否かの答えも得られるかもしれない。研究チームはこの分析をXMMニュートンや日米のX線天文衛星「あすか」が観測した他の銀河団のデータにも適用し、全部で842個の銀河団について調べたところ、おおむね同じ結果が得られた。ところが、独・ボン大学のKonstantinos Migkasさんたちの研究によれば、現在の宇宙ではその等方性は成り立たないかもしれない。

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