138億年の宇宙史における天体・地球・⽣命の共進化

かわさき市⺠アカデミー2022年度前期
新しい科学の世界Ⅰ『宇宙の誕⽣から⽇本列島まで』第2回
東京⼤学⼤学院理学系研究科物理学専攻 須藤 靖
2022年4⽉19⽇ 10:30-12:00 @川崎市⽣涯学習プラザ

⽬次
1. 科学に残された３つの究極の謎
2. 宇宙を知り、世界を問う
3. 法則に⽀配された宇宙の必然
4. 宇宙における⽣命の必然と偶然
5. まとめ

１

科学に残された
３つの究極の謎

科学が解明すべき３つの究極の謎
n宇宙の起源n 宇宙はなぜ誕⽣したのか
n 宇宙は⼀つだけなのか

n

⽣命の起源
n ⽣命はなぜ誕⽣したn 地球外にも⽣命は普遍的に存在するのかn

意識（知性）の起源
n 意識はなぜ誕⽣した
n ⽣命は必然的に意識をもつ⽅向に進化するのか
n 地球外に知的⽂明は存在するのか
n 知性はどこまで進化可能なのか

現在、未解明なだけではなく、そもそも答えが存在するのか、仮にあるにせよ我々地球人ごときの知性で答えを得る（理解する）ことができるかすらわからないほどの魅力的な問い

必然と偶然の狭間
n 私が必然だと信じていること
n 誕⽣した宇宙は物理法則に⽀配されて進化する
n 宇宙のなかの物質は多様な元素と分⼦を合成し、やがて⽣命に⾄る
n 誕⽣した⽣物は進化しやがて知性（意識）をもつ
n 私が必然だとは信じきれないこと
n この宇宙が誕⽣したこと
n この宇宙を⽀配する物理法則の存在
n この地球における⽣命の誕⽣
n この地球における知的⽣命体の存在

宇宙・物質史 (物理法則による必然）
宇宙年齢

現在からの時間出来事

0

138億年前

宇宙の誕生～10-36秒

138億年前宇宙の指数関数的膨張（インフレーション）と、それにともなう宇宙の熱化（ビッグバン宇宙）

10-6秒

138億年前陽子と反陽子の対消滅

1秒

138億年前電子と陽電子の対消滅

3分

138億年前ヘリウムの合成（ビッグバン軽元素合成）

38万年

138億年前宇宙の中性化（陽子と電子が結合して荷電中性の水素原子になる）、宇宙の晴れ上がり～4億年?

～134億年前?

最初の星の誕生、それ以降で星の中心で重元素が合成され、最期に空間にばら撒かれる（元素循環）

10億年

128億年前

知られている最古の銀河、中性化した宇宙が再び電離

70億年

168億年前ダークエネルギーが宇宙を支配し、それ以降、宇宙膨張が減速から加速に転ずる地球・⽣命史 (かなり偶然に左右される)
宇宙年齢

現在からの時間

出来事

82億年

46億年前

地球および⽉の誕⽣

96億年

42億年前

海の形成

98億年

40億年前

原始⽣命（プロゲノート）の誕⽣

100億年

38億年前

最古の光合成の痕跡?

115億年?

23億年前?

全球凍結

117億年

21億年前

⼤気中酸素の急激な増加

122億年

6億年前

カンブリア紀⼤爆発（⽣物種の爆発的多様化）

134億年

2.5億年前⽣物⼤量絶滅（P/T境界事件：ペルム紀ー三畳紀）

136億年

2.3億年前

恐⻯の出現

137億年

6500万年前恐⻯絶滅（K/T境界事件：⽩亜紀ー第三紀）

138億年

20万年前

新⼈型ホモサピエンスの出現

宇宙生物学入門‐惑星・生命・文明の起源‐（2008）より

⾃然界における必然と偶然
n←

⽣命の誕⽣・進化を議論する場合、必然と偶性（物理法則と初期条件あるいは外的要因と⾔い換えても良い）はある程度分離できるn 星内部での元素合成と超新星爆発による元素循環
n それを材料とし化学進化から⽣命の材料物質が⽣成必然n これらから（具体的な過程は不明だが）⽣命が誕⽣
n 深海熱⽔噴出孔？地球外宇宙塵上？

偶
然

n ⾃然淘汰・適者⽣存n 地球の存在、⼩天体⼤衝突、気候変動

n→

ただし、宇宙そのものの誕⽣に関しては、偶然と必然の関係が分離しがたい
n 何が初期条件で何が物理法則？

２

宇宙を知り、世界を問う

世界観の変⾰ = ホライズンの拡⼤〜宇宙を知り、世界を問う〜
n

宇宙=space-time (淮南⼦）n 宇=天地四⽅上下（三次元空間全体）
n 宙=往古来今（過去・現在・未来の時間全体

n世界=時空 (サンスクリット⇒漢語)
n 世=過去・現在・未来の三世 (時間）n 界=東⻄南北上下（空間）(狭義の)世界(広義の)世界
法則・摂理(観測できない)他の宇宙(マルチバース)>>(我々が観測できる)宇宙50年前の私にとっての「世界」
＠⾼知県安芸市「⼦供の頃、海を⾒て育っちょらん⼈間は信⽤できん」（⻄原理恵⼦）
n この⽔平線は世界の果てなのか？
n その先に別の世界があるのか？
n もしあるならばそこに広がる⾵景は？

遠くを⾒ることで、⾼知県の先にも世界が広がっていたことを知る

＠モナコ

＠ホノルル、ハワイ

世界の相対化：⽇本を俯瞰する

国際宇宙ステーション
https://www.flickr.com/people/nasa2explore/世界の相対化：⽉からみる地球

世界の相対化：地球からみる天の川

国際宇宙ステーション
https://www.flickr.com/people/nasa2explore/この星空の先には別の世界が広がっているのか？

?
?
?
?
宇宙の ?
ホライズン ?
遠く＝過去 ?
?

３ 法則に⽀配された宇宙の必然宇宙膨張と物質世界の進化n

宇宙は膨張しながら密度と温度を下げる
n 光に満ちた単純な宇宙から、複雑で多様な天体世界へ

nｔ≒3分： 軽元素（ヘリウム）合成

nｔ≒38万年 ：電離した宇宙が中性化 （陽子＋電子 から 水素原子）nｔ≒数億年：第一世代天体の誕生

nｔ≒数億年 ～ 138億年： 星形成（重元素合成）、銀河・銀河団形成＋生命宇宙の中性化：その時の宇宙の光の化石が、現在の宇宙を満たしている宇宙マイクロ波背景輻射
38万年

数億年

138億年

宇宙
#誕
生

現在
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck元素の起源とビッグバン元素合成
101
110-1

相
対個数
密度⽐

現在の宇宙に存在する元素と⽔素の個数密度⽐

H
He10-210-3C

10-410-510-610-7-81010-910-1010-11 1

ONeN

Mg
NaFeSiSAlArPFLiClCaKTi

CoVBNiCr MnCuZn

Sc

Be

51015202530

原⼦番号

現在の宇宙の元素は71%の⽔素、27％のヘリウムとそれ以外の重元素からなる（質量⽐）n このヘリウムは宇宙誕⽣３分間で形成された
n ガモフがビッグバンモデルを提案した動機
n宇宙の中性化と宇宙の晴れ上がりn 電⼦と陽⼦の再結合（宇宙の中性化）
n 完全に電離していた宇宙は、温度が約3000K以下（宇宙誕⽣後約38万年）になると電⼦と陽⼦が結合して⽔素原⼦となり、中性化する
n 宇宙の晴れ上がりn その結果、電磁波（光）の直進を妨げていた⾃由電⼦が無くなり、宇宙は電磁波に対して透明となる
n 電磁波を⽤いる限り、それより過去の宇宙を観測する事は不可能

宇宙マイクロ波背景輻射
温度地図

プランク衛星の観測データ(2013)
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2013/03/
Planck_and_the_cosmic_microwave_background
参考：地球の温暖化を表す地図（ウィキペディア）

この宇宙マイクロ波背景輻射地図と物理法則からわかったこと：
現在の宇宙の組成

天体の形成：重⼒とダークマター
宇宙の構造形成シミュ
レーション（吉川 耕司
樽家 篤史
景 益鵬
須藤 靖）
nn

（宇宙のインフレーション時に⽣成された）空間的密度のゆらぎが、宇宙の膨張とともに成⻑し現在の宇宙の天体諸階層を誕⽣させた
天体は重⼒によって成⻑、重⼒を⽀配するのはダークマター

宇宙の構造形成標準理論
宇宙初期の空間ゆらぎ

⼩さなスケールの構造ほど初期に形成される
n いったんできた構造が重⼒的に合体あるいは集団化することで、より⼤きなスケールの構造へと進化する
n

万有引力（重力）によってでこぼこ度合いがどんどん成長する数値計算の予⾔ 観測と観測データ データの⽐較：
銀河の３次元分布
宇宙モデルを決める少数のパラメータを与えるだけで、近傍宇宙における銀河の分布が⾒事に再現できる
n 宇宙は法則に従っている
nシ

ミュレーション

予想現在の銀河宇宙からマイクロ波背景輻射へ：
138億歳の現在から38万歳の過去へ

NASA / University of Chicago and Adler Planetarium and Astronomy Museum宇宙マイクロ波背景輻射から銀河宇宙へ：
宇宙誕⽣後38万年から138億年までの進化

NASA/WMAP Science Team -David Spergel宇宙物理学が明らかにした最も重要な事実

宇宙はその果てまで物理法則に従っている
Planck衛星 (2013)

現代天⽂学による宇宙観の進化
宇宙モデルの予⾔との驚くべき⼀致

http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2
018/07/Planck_s_view_of_the_cosmic_micro
wave_background2

４ 宇宙における⽣命の必然と偶然

太陽系外惑星の発⾒年表
ケプラー探査機（2009年打ち上げ）のデータ公表

発見総数

2021年2月時点で、4687個の惑星（3463の惑星系、うち770は多重惑星系）が確認済み。さらに2000個程度の惑星候補が知られている
1995年に初発見 (2019年ノーベル賞）

西暦

中心星の質量[太陽質量]

⽣命がいるかもしれない惑星候補
←蒸発
氷→
水（液体）

n

ハビタブル惑星＝⽔が液体として存在できる温度にある岩⽯惑星
これらのどこかに⽣命がいるかも？
n でもハビタブルと呼ぶのは詐欺に近いn中心星からの距離[天文単位]
Livio & Silk: Physics Today, 2016 March宇宙は「地球」で満ちている？
n

天の川銀河系内の恒星の数=1011個（千億個）
n その1割の1010個が太陽と似た恒星
n さらに太陽に似た恒星の1割がハビタブル惑星を持つ

n

天の川銀河系内のハビタブル惑星の数=109個
n 観測できる範囲の宇宙内の銀河の数=1011個

n

宇宙内のハビタブル惑星の数=1020個（1垓個）n ハビタブル惑星に⽣命が存在する保証は全くない
n 本当に⽣命が⽣まれるための条件は知られていない（適度な割合の海と陸＋数多くの偶然？）
n しかしこれほど膨⼤な数の惑星がある以上、この地球だ
けに⽣命がある考えるのはかなり不⾃然では？

宇宙における⽣命探査
n 30年前まではSFでしかなかった
n 科学者以外の⼀般⼈がむしろ強い興味をもつ

n 今では科学の⼀分野として認められつつある
n サンプルリターン（⼩天体、⽕星、⽊星の衛星に直接探査機を送る）
n リモートセンシング（遠⽅の太陽系外惑星を望遠鏡で観測）
n SETI (地球外知的⽂明からの信号を検出)
n ⼈類の究極の科学⽬標であることは確実
n ただし少なくとも今後10年から100年は必要地球外知的⽂明はあるか？：N

ドレイクの式= (Ns / Ls)×fp ×ne× fL× fI × fC×L

今、銀河系内にある交信可
能な知的文明の数

銀河系
内%&生命)
適+,
恒星%
数1%
恒星%
寿命

1%
恒星
2惑星4伴678
9確率

D1環%境惑)星G%
9中地=球>型生惑物星2%存期在
待可値能1%
惑星)
生
物
2発生
P
9確率

Nの値は良くわかっていない。0.003個（つまり、我々の地球以外には存在し得ない！）と推定する研究者から200万個と推定する研究者までいる。ドレイク博士自身は1万個程度であると考えた。

1%
生
物
2
知的生命)
進化
P
9確率1%
知的生
命
2他%
文
明
X
交
信
4
行\
確率1%
文
明
%
継続時
間

SETI: Search for Extra-Terrestrial
Intelligence
⽣命が存在する最も決定的な証
拠は知的⽂明からの電磁波信号n オズマ計画 (1960)
nn フランク・ドレイクは、4ヶ⽉間にわたり毎⽇6時間、⼝径26mの電波望遠鏡を、くじら座タウ星とエリダヌス座イプシロン星の⽅向に向け、中性⽔素の放射する波⻑21cm(周波数1.42GHz)帯に、⽂明の証拠となりうる規則的な電波信号の探査を試みた

アレシボ・メッセージ
１から１０までの数（２進法）

ドレイクは、1974年11⽉16⽇にプエル
ト・リコにあるアレシボ電波望遠鏡から、約2万5千光年離れた球状星団M13に向けて電波信号を送った
n それを解読して並べたとすれば0と1の信号列が右図のようになる
nDNAを構成する水素、炭素、窒素、酸素、リンの原子番号（２進法）
DNAのヌクレオチドに含まれる糖と塩基、計１２種の化学式

DNAの二重螺旋

人間
太陽系（左端が太陽で、一行上になっているのが地球）
アレシボ電波望遠鏡

Wikipediaより

地球⽂明の存在を知った三体⼈
⾼度知的⽂明は友好的か排他的か
n 光速の１％で航⾏する宇宙艦隊を地球に派遣
n 400年後に3体艦隊が来ることを知った地球⼈はどうするかnAstro2020: Pathways to Discovery inAstronomy and Astrophysics for the 2020sWorlds and Suns in Context
n Pathways to Habitable Worlds
n New Messengers and New Physics
n New Windows on the Dynamic
Universen Cosmic Ecosystems
n Unveiling the Drivers of Galaxy
Growthnhttps://www.nationalacademies.org/our-work/decadal-survey-onastronomy-and-astrophysics-2020-astro2020

Highest Priority: an IR/Optical/UV spacetelescope optimized for observing habitable
exoplanets and general astrophysics
nRecommendation: After a successful mission andtechnology maturation program, NASA shouldembark on a program to realize a mission to searchfor biosignatures from a robust number of about~25 habitable zone planets and to be atransformative facility for general astrophysics. If
mission and technology maturation are successful,as determined by an independent review,
implementation should start in the latter part of thedecade, with a target launch in the first half of the2040’s

５まとめ現在の宇宙(世界)に関する全情報が原理的にはここに刻み尽くされている
誕生後38万年の宇宙の「初期条件」（宇宙マイクロ波背景輻射）

物理法則

宇宙の構造形成進化史（現在の銀河の3次元分布）n 宇宙論の中⼼的教義

初期条件+(既知の)物理法則 = 現在の宇宙天体・地球・⽣命の共進化
必然による普遍性と偶然が⽣む多様性
n

⽣命を含むこの壮⼤な宇宙史の流れは、マイクロ波背景輻射に代表される宇宙の初期条件に加えて、物理法則に従う必然的なもの
n 宇宙における天体の誕⽣と進化は必然
n 星の内部で合成された元素は宇宙空間に放出され、それを材料として次世代の天体が誕⽣する
n この天体の進化と元素循環のある時点でこの地球が誕⽣
n この地球と似たような環境の惑星は無数に存在し、そのうちのある割合が何らかの偶然によって⽣命を⽣み出す
n いったん⽣まれた⽣命は、時間をかけて進化しやがては知的⽣命体が誕⽣する（⽣命は必然でもその多様性は偶然）
n この地球がその⼀例であることは単なる偶然であるが、宇宙のどこかで知的⽣命体をもつ惑星の存在は必然のはず約１３０億年前の宇宙（ハッブルウルトラディープフィールド）１３８億年前の宇宙（宇宙マイクロ波背景輻射）星形成領域（おうし座）銀河（アンドロメダ）

原始惑星系円盤（HLタウ）

ブラックホール（はくちょう座X1）
超新星（かに星雲）惑星（地球）生命恒星（太陽）
ハッブル宇宙望遠鏡

宇宙＝天体＋⽣命＋技術＋社会…

参考⽂献

朝日新書
2022年

講談社ブルーバックス
2019年

亜紀書房
2018年