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東京大学 UTokyo OCW 朝日講座 「知の冒険」
Copyright 2014, 須藤 靖
The University of Tokyo / UTokyo OCW The Asahi Lectures “Adventures of the Mind”
Copyright 2014, Yasushi Suto

宇宙の境界、地球の境界＊ NASA＊NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

大学院理学系研究科 物理学専攻 須藤 靖
2014年2月3日16:40-18:20 朝日講座 知の冒険
もっともっと考えたい 世界は謎に満ちている「境界線をめぐる旅」＠東大法文２号館2階一番大教室

本日の目次１ 役に立たない天文学を通じて世界を知る
 天文学と文学の接点

２ 観測されている宇宙を科学的に知る
 天体の階層と宇宙の大きさ

３ 観測できない宇宙を哲学的に想像する ユニバースからマルチバースへ

４ やがて観測されるだろう第二の地球を予想する
 太陽系外惑星と宇宙生物学

１ 世界を知るための天文学まず注意： 「宇宙」 ＜ 「世界」
 今回の話では「宇宙」とは天文学が直接観測できる具体的な対象、「世界」はその宇宙がしたがっている摂理や法則というより抽象的な存在、という意味で使い分ける 人によってはこの二つを区別せず用いていることもあるだろうし、逆に宇宙は世界を含むより広い概念だとすることもある（多分そっちが普通） でも私は「宇宙」の研究をしているため、宇宙がより身近で具体的な対象のような気がする。そのため、以下では 「宇宙」＜「世界」 として使い分けることにする

文学と天文学の接点
 「文学部か、いいなあ」
 「え、どうしてです」
 「思い残すことがないでしょう」

私は《文学部しかない》と決めていて、それが何のためとは思わなかった。しかし、勉強が、それ自体のためというより、ステップであるということも当然あるわけだ。いや大学という存在の《機能》を考えたら、そちらの方が自然なのかもしれない。

北村薫『六の宮の姫君』（東京創元社、1999）

草枕的人生観と天文学
草枕

人の心を豊かにするが 故に尊とい。

来て、ここに画家という使命が降る。あらゆる芸術の士は人の世を長閑にし、束の間の命を、束の間でも住みよくせねばならぬ。ここに詩人という天職が出越す事のならぬ世が住みにくければ、住みにくい所をどれほどか、寛容て、、で、な、し、の国へ行くばかりだ。人、で、な、し、の国は人、の、越す国はあ るまい。 あ れば人、よりもなお住みにくかろう。
世、の、世、が住みにくいからとて、ちらちらするただの人である。ただの人が作った人

くいと悟った時、詩が 生れて、画が出来る。
、の、世、を作ったものは神でもなければ鬼でもない。やはり向う三軒両隣りに人住みにくさが高じると、安い所へ引き越したくなる。どこへ越しても住みにに人の世は住みにくい 。

智に働けば角が立つ。情に棹させば流される。意地を通せば窮屈だ。とかく山路を登りながら、こ う考えた。

一

住みにくさが高じると、空のムコウへ引き越したくなる。どこへ越しても住みにくいと悟った時、学者が生れて、学問が出来る。

越す事のならぬ世が住みにくければ、住みにくい所をどれほどか、寛容て、束の間の命を、束の間でも住みよくせねばならぬ。ここに天文学者という天職が出来て、ここに天文学という使命が降る。あらゆる役に立たない学問の士は人の世を長閑にし、人の心を豊かにするが故に尊とい。


夏目漱石『草枕』
青空文庫（http://www.aozora.gr.jp/cards/000148/card776.html）より引用

村上春樹 『アフターダーク』より
 果物がたわわに実り、真ん中には高い山がそびえるハワイのある美しい島に流れ着いた３人の兄弟。夢にでた神様が「とてつもなく重く大きな岩が３つあるはず。それを好きなところまで転がして行け、どこまで行くかはお前達の自由である。高い場所に行けば行くほど遠くを見ることができる」と告げる。
 三男：海岸の近く: とても美しいし、魚も捕れる 次男：山の中腹: 果物が豊富に実っている 長男：山のてっぺん: 霜をなめ苔を食べることで水分と栄養をとるしかない、でも世界は見渡せるマリとタカハシの会話
 マリ：その話には教訓みたいなものはあるの？
 タカハシ：教訓はたぶんふたつある。

ひとつは、人はそれぞれに違うということ。たとえ兄弟であってもね。もうひとつは何かを本当に知りたいと思った
ら、人はそれに応じた代価を支払わなくてはならないということ。

知的好奇心 タカハシ：ハワイにまで来て、霜をなめて、苔を食べて暮らしたいとは誰も思わないよな。でも長男には、世界を少しでも遠くまで見たいという好奇心があったし、それを押さえることができなかったんだよ。そのために支払わなくちゃいけないものがどんなに大きかったとしてもさ。

知的好奇心

 マリ：

 タカハシ：まさにNobody… really ?

 ハワイにまで来て、霜をなめて、苔を食べて暮らしたいとは誰も思わないよな(村上春樹：『アフターダーク』）

Nobody wants to go all the way toHawaii to stay alive licking frost andeating moss
（English translation by Jay Rubin）



Nobodyexcept astronomers…

天文学者＝Nobody！

すばる望遠鏡＊ハワイ島マウナケア山頂上にそびえる３つの大きな岩
写真：柏木俊哉氏撮影＊＊

三男@ハワイ島ヒロ（海抜０m）＊ 写真：柏木俊哉氏撮影

次男@中間宿泊所ハレポハク(海抜2,800m)＊＊
写真：柏木俊哉氏撮影

長男＠すばる望遠鏡（海抜4,200m）

＊

＊

＊

＊

写真：柏木俊哉氏撮影

でも世界は見渡せる＊写真：柏木俊哉氏撮影

アイザック・アシモフ著 「Nightfall (夜来たる)」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

 2049年に一度しか夜が来ない“地球”の世界観
 この“地球”の外に「見えない世界」はあるのか？

アイザック アシモフ: Nightfall（夜来たる） “Light !” he screamed.

Aton, somewhere, wascrying, whimperinghorribly like a terribly
frightened child.

Isaac Asimov,
Nightfall and OtherStories, Fawcett, 1977
表紙画像

“Stars -- all the Stars-- we didn't know atall. We didn't know
anything.”この青空は宇宙の境界なのか＊（すばる観測所、田中壱氏撮影）

「我々は何も知らなかった」
でも本当にこれですべて？

＊（すばる観測所、田中壱氏撮影）

20

２ 現在知られている宇宙
天体の階層あらゆる世界には階層がある 生物ー器官ー細胞ーDNAー塩基ー分子ー原子 物質ー原子ー原子核ー陽子・中性子ークォーク
 宇宙ー銀河団ー銀河ー惑星系ー地球
 会長ー社長ー副社長ー専務ー部長ー課長ー係長ー社員ー派遣ーアルバイト 教授ー准教授ー助教ー博士研究員ー大学院生ー学部生
 士農工商 （今の教科書では、そのような階層は存在しなかったと教えられるらしいが、、、）

宇宙の階層宇宙の大構造銀河群
矮小銀河
太陽系＊NASA

Credit: The Hubble
Heritage Team(AURA/STScI/NASA)＊Credit: NASA,ESA, and the
Hubble Heritage(STScI/AURA)ESA/Hubble
Collaboration

銀河銀河団
M. Blanton and the＊ Credit:
Sloan Digital Sky Survey

星団

NASA, N. Benitez (JHU),＊Credit:T. Broadhurst (Racah Institute＊Credit:EuropeanSpace
Agency &NASA＊＊
Credit: NASA, ESA, andThe Hubble Heritage Team(STScI/AURA)

of Physics/The Hebrew
University), H. Ford (JHU), M.
Clampin (STScI), G. Hartig(STScI), G. Illingworth(UCO/Lick Observatory), theACS Science Team and ESA

100 101 102 103 104 105 106 107 108
典型的大きさ [パーセク（～3.1光年）]

八つの惑星：我が太陽系
太陽

火星

金星

水星

地球

木星

土星
60億km

天
王星

海王星
＊ NASA（太陽からの距離は別として、惑星の相対的な大きさはほぼ実際の比の通り）

アンドロメダ銀河（M31)：隣の銀河

13万光年

すばる望遠鏡ハイパースープリームカム
試験観測イメージ
宮崎聡他（2013年7月）＊クレジット：HSC Project / 国立天文台

銀河の形：ハッブル分類
渦巻銀河

楕円銀河
レンズ状銀河Image by Ville Koistinen, from Wikimedia Commons(ref. 2016/01/22)
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hubble_seq
uence_photo.png
CC BY-SA 3.0

棒渦巻銀河

銀河団：
宇宙で最大の自己重力系
 100～1000個の銀河が、直径１千万光年程度の領域に重力で集団化したもの

100万光年＊

銀河団エイベル１６８９(距離：22億光年)
ハッブル宇宙望遠鏡

Credit: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU),
M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team and ESA

人類が地上から見た最も遠い（=過去）宇宙（境界）ハッブルウルトラ
ディープフィールド
（HUDF)＊
Credit: NASA, ESA, S. Beckwith and the HUDF Team (STScI), and B. Mobasher (STScI)夜空ノムコウのＨＵＤＦ＊Credit: NASA and STScl

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

遠くの宇宙＝過去の宇宙
137億年

10億年

4億年～7億年＊ NASA

「宇宙」の大きさ
「宇宙には境界はなく無限に広がっている」というのが標
準宇宙モデル この「宇宙」は、実際に観測できるかどうかを別として理論モデルが取り扱う「全宇宙」の意味


ビッグバンモデルによれば「宇宙の大きさは約１３７億光年であり、その領域は今から１３７億年前に（実質的には大きさのない）点から始まった」という説明を良く聞く
 この「宇宙」は、「現在観測できる範囲の宇宙」という意味

 専門家は区別が分かっているが面倒なので説明していない
 二つが正しく区別できていない一般解説本も存在する

観測できる宇宙の大きさ
 観測できる宇宙は、ある時間内に光が伝わる距離で決まる
 宇宙誕生以来、「観測できる宇宙」の大きさは時々刻々拡大している
 その大きさは、厳密には「宇宙年齢×光速度」ではないが、数倍の違いを除けば近似的には正しい（これが良く用いられる１３７億光年）。
 現在観測できる宇宙の大きさは有限なので、現在の宇宙膨張を宇宙誕生まで逆にさかのぼれば、実質的には「点」だと考えて良い これを標語的に言えば「宇宙は点から始まった」

誤解を与えやすい
図の例＊ NASA/ ESA/ STScI (A. Feild) 上の図では、いかにもある１点からビッグバンが起こり、現在の宇宙には境界があるという印象を与える
 分かりにくいかもしれない
下図のほうがより適切 ＊NASA全宇宙の大きさ
 現在観測できる空間領域の外にも宇宙は広がっていることは確か
 標準宇宙モデルではもっとも単純に、空間的には無限に広がっていると考える
 むろん科学的には、これ以上大きくないと矛盾する、という下限値が与えられるだけではある 現在観測できる宇宙の大きさの10倍以上であれば、仮に有限であってもほとんど矛盾はない
 全宇宙が無限大の大きさなら、宇宙誕生までさかのぼってもサイズは０にはならない
 全宇宙は「点」から始まっていないどころか、誕生時の宇宙の大きさはやはり無限大だったと考えるべき

宇宙の境界：０×∞≠０ 観測できる宇宙には空間的境界はあるが、それは日々拡大しているし、全宇宙は無限に広がっていて空間的境界はないと考えるのがより適切
 有限×０は必ず０だが、０×∞は０だけではなく、有限な値にも、さらには∞にも成りうる 宇宙には時間的境界が半分ある
 宇宙には始まりがある（有限の過去） 標準モデルでは、宇宙の未来は無限に続くと考えられているので、未来側の境界はない

３ 夜空のムコウと宇宙の境界
ユニバースからマルチバースへ

むくむくと湧き上がる疑念
 「点」や「無限大」は数学的概念に過ぎず、それらが現実に存在するとは思えない ごもっとも。「点」は量子論の効果を考慮するともっとボーっとするかもしれない。「無限大」も、ある値以上でなくてはならないという意味だと解釈するほうがより科学的 我々の住む「この宇宙」が世界のすべてで、それ以外には何もない、と考える根拠はあるのか ごもっとも。我々が直接観測できるものだけがすべてではないかも（でも哲学的過ぎて危ない気が、、、）

多宇宙（マルチバース）
 天文学・宇宙論の歴史は、我々の存在が唯一絶対なものではなく普遍的・自然な存在であることを証明する方向に進んできた とすれば、我々の宇宙が唯一無二のものであるという考え方は、時代に逆行しているのではないか？
 我々が存在する宇宙は決して唯一絶対的なものではなく無限に存在するもののなかの一例にしか過ぎないかも？（究極の民主主義）
universeからmultiverseへ

４つのマルチバース
Max Tegmark: Parallel Universes
in Scientific American, May 2003
and in astro-ph/0302131


レベル1 ：我々が観測可能な地平線の外の領域に存在
 レベル2 ：無限の宇宙の中に島宇宙的にポツリポツリと存在（インフレーション的） レベル3 ：量子力学の多世界解釈による宇宙（エベレット）
 レベル4 ：数学的論理構造そのものが宇宙の形態として存在（プラトン的）＊ Prof. Max Tegmark

http://space.mit.edu/home/tegmark/crazy.html

レベル1 マルチバース
 我々が観測できる領域の外側にも宇宙はずっと広がっている これらの集合体が全体としてレベル1
マルチバースに対応（別の宇宙というべきではないかも） それぞれの宇宙＊ の物理法則は同じ『日経サイエンス』2003年8月号、p.29より

レベル2 マルチバース

たがいに因果関係がないほど途方もなく隔たった異なるレベル１マルチバースがあり、そこでは物理法則も異なっているかも＊ 『日経サイエンス』2003年8月号、p.31より

レベル3 マルチバース＊＊ 『日経サイエンス』2003年8月号、p.35よりProf. Max Tegmark
http://space.mit.edu/home/tegmark/crazy.html

エベレットによる量子力学の多世界解釈に基づく並行宇宙
 いかにもSF的で突拍子もない考えのようであるが、物理学者にも支持する人は多いレベル4 マルチバース＊『日経サイエンス』2003年8月号、p.37より

４ もうひとつの地球に生命の兆候を検出したい太陽系外惑星発見の歴史年表

Brown dwarf

Pulsar planet

51 PegPulsar planet

ドップラー法

トランジット法

マイクロレンズ法

直接観測

1995年に我々は何も知らなかった事を思い知る

http://exoplanet.eu/にて作成

現在は系外惑星研究の革命期
 惑星（系）は稀なものではなく普遍的 太陽と似た恒星の34％（以上）が惑星を持ち、17％（以上）は複数の惑星を持つ
 太陽系と良く似た系もかけ離れた系も存在 太陽の周りを数日で公転する木星型惑星（ホットジュピター）が大量に存在（太陽系の木星の周期は約10年）
 ゆがんだ楕円軌道も多い
 水が液体として存在する摂氏0度から100度の温度の惑星（ハビタブル惑星）候補も報告
 我々の地球以外に生命が存在するか？

もうひとつの地球？
 生命が誕生するには
 適度な温度 大気の存在 液体の水（ハビタブル：居住可能性条件）
 ＋偶然？
＊ NASA恒星の周りの地球型Terra衛星のMODIS検出器のデータ 惑星を探せ！


http://modarch.gsfc.nasa.gov/
http://www.nasa.gov/home/index.html

ハビタブル候補惑星
中心星の明るさ

ハビタブルゾーン（居住可能帯）中心星までの距離＊ James F. Kasting, Ravikumar Kopparapu, Ramses M. Ramirez, and Chester E. Harman(2014) Remote life-detection criteria, habitable zone boundaries, and the frequency ofEarth-like planets around M and late K stars, PNAS, 111(35):12641-12646, p.12645 Fig.2

温故知新：
ガリレオ探査機による地球上の生命探査 1986年5月打ち上げ 1990年12月8日一回目の地球スイングバイ時に地球上の“生命探査” 地球には生命がいるらしい!
 大量の酸素
 植物の特徴的反射スペクトル 熱平衡から極端にずれた大

気中のメタンの存在
 人工電波信号＊ NASA

Sagan, Thompson,Carlson, Gurnett & Hord:
Nature 365(1993)715

生命存在の観測的指標：バイオマーカー
Extrasolar plants on extrasolar planets ハビタブル惑星の定義は、生命存在の十分条件とはほど遠い（必要条件ですらないかも） バイオマーカーを探す 酸素、オゾン、水の吸収線

 地球のリモートセンシング

反射率

 植物のレッドエッジ

落葉樹の葉
本当は真っ赤ではすでに確立参考）S. Seager, E.L. Turner, J. Schafer, E.B. Ford (2005)
Vegetation's Red Edge: A Possible Spectroscopic Biosignatureof Extraterrestrial Plants, Astrobiology 5(3): 372-390.

葉緑素
葉緑素
波長 [ミクロン]

Sagan et al. (1993): 撮像
ガリレオ探査機が観測した地球のレッドエッジ

表面反射率

ペルー
コロンビア

チリ

アルゼンチン＊
Reprinted by permission from Macmillan
Publishers Ltd: Nature, 365(6448), 715-721,p.717 FIG.2-c, p.718 FIG.3, copyright 1993.

＊

観測した光の波長（ミクロン）ボイジャー１号による太陽系内惑星撮像
 1990年2月14日@40AU

 カールセーガン

が地球の画像をPale Blue Dotと命名＊ 朝日新聞デジタルより（2013年9月13日）「ボイジャー1号、太陽系脱出 地球を旅立ち35年」＊NASA/JPLペイル・ブルー・ドット＊ NASA/JPL＊NASA/JPL＊NASA/JPL＊ NASA/JPL-Caltech/SpaceScience Institute

土星越しに見る地球

＊ NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

土星探査機カッシーニが撮影した地球と月 2013年7月20日（日本時間）：2万人がこちらに手を振っている第二の地球の色から、海、雲、植生の占める面積の割合を推定する
 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻

 藤井友香、河原創、樽家篤史、須藤靖

 東京大学気候システム研究センター
 福田悟、中島映至
 プリンストン大学
 Edwin Turner

Fujii et al. Astrophys. J. 715(2010)866, arXiv:0911.5621
Astrophys. J. 738(2011)184, arXiv:1102.3625

http://www.space.com/scienceastronomy/color-changing-planets-alien-life100513.html

Beyond a Pale Blue Dot:
地球は青かった？
反射率100%の場合で規格化した反射光

アフリカ大陸0.08

ユーラシア大陸＊ NASA

自転に伴う反射光の色の時間変動のシミュレーション
参考：Fujii et al. (2010) Colors of a Second
Earth: Estimating the Fractional Areas of Ocean,Land, and Vegetation of Earth-like Exoplanets,
The Astrophysical Journal, 715:866-880.



波長0.7-0.8[μm]波長0.6-0.7[μm]
アメリカ大陸

波長0.5-0.6[μm]波長0.4-0.5[μm]
0.00

0.0

時刻[hour]

実際の地球観測衛星のデータを用いた、将来の第２の地球観測のための模擬実験

24.0

地球測光観測データから推定された地表面成分の経度分布地図
海

植生

雲雪土

参考：Fujii et al. (2011) Colors of a Second Earth. II. Effects of Clouds on PhotometricCharacterization of Earth-like Exoplanets, The Astrophysical Journal, 738:184.

まとめ宇宙を見て世界を知る
 「宇宙」に境界はない
 宇宙はとてつもなく広い。しかし、「観測できる宇宙」はそのほんの一部にしか過ぎない その一部から全体を再現する作業が天文学
 知れば知るほど「我々は何も知らなかった」をまざまざと思い知らされる
 この果てしなき繰り返しを経ながら、科学は徐々にしかし確実に進歩し続ける 我々が知り得る「世界」に境界はあるのか？

予想もできない展開が待っているはず 最初に起こるのはどれだろう 地球外生物の痕跡の天文学的検出 実験室での人工生物の誕生 地球外文明からの交信の検出 地球文明の破滅（いったん発達した文明は、疫病、核戦争、資源の枯渇、テロなどの要因で不安定）

 交信できるレベルまで安定に持続した

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

グループワーク課題
 地球外文明と交信が可能になったとして、相手にぜひ聞いてみたい質問、逆に相手にぜひ知ってもらいたい地球の文化を、それぞれ一つ挙げて理由とともに説明せよ
 第2の地球の存在は、むしろ我々自身の特殊性(地球の境界)と普遍性（世界の境界）を教えてくれる 何が当たり前で何が不思議なのか 数学、物理学、審美眼、倫理観の普遍性