FEATUREIPMU主任研究員

杉山 直
すぎやま・なおし

専門分野：天体物理学

宇宙観のパラダイムシフト

トーマス・クーンが提唱したパラダイムシフトと「世紀の討論（The
われたのは、1920年のことである。

は、科学の発展段階において、それまでの規範・原則Great Debate）」と呼ばれている。そこでは、シャプが突如としてくずれて劇的に変革を遂げる、というもレーは星雲がすべからく天の川の内部にあるという立のだ。その最もわかりやすい例が、天動説から地動説場で、一方のカーティスはアンドロメダなどの渦巻星への移行だろう。 地球が宇宙の中心という考え方か雲（Spiral Nebula）は天の川の外にあるという立場ら、太陽が中心である、という全くこれまでと異なっで討論を行ったのである。

た考え、新たなパラダイムへの変革が、17世紀、ガこの論争は、1922年にハッブル（E.Hubble）がアリレオ・ガリレイの時代に突如として起こったことはンドロメダ星雲までの距離を確定したことで決着を見よく知られている。

た。天の川銀河の差し渡しよりもはるかに大きな距離

人類の宇宙観を根本から変えたこのようなパラダであったことから、アンドロメダ星雲は天の川の外側イムシフトが、20世紀以降にも、繰り返し起こってにあり、独立した星の集団、つまり銀河であるというきた。また、現在も進行中である。宇宙論と呼ばれることが明らかになったのだ。討論に破れた側のシャプ研究分野の進展が、人類の宇宙観を再び大きく揺さレーこそ、天の川銀河の大きさを最初に測定した人物ぶっているのだ。

であったことは、歴史の皮肉といえよう。
太陽の属する天の川が、宇宙にある多数の銀河の一つに過ぎないことが明らかになったことは、人類の天の川は唯一の銀河ではなかった宇宙観のパラダイムシフトと呼べよう。それを導い20世紀初頭には、まだ星雲（Nebula）と呼ばれるたハッブルの測定の契機となったのが、リーヴィッ

ものが天の川に所属しているのか、それとも、天の川ト（H.Leavitt）による宇宙での距離測定方法の発見だ。と同じような独立した星の集団＝島宇宙なのかわかっ

ケフェウス型変光星（Cepheid variables）は、そのていなかった。世に名高いシャプレー（H.Shapley）

変光の周期が長いと本当の明るさも明るい、という相とカーティス（H.Curtis）の二人の討論が国立自然史関を持つことに気づいたのである。つまり、周期を測博物館（National Museum of Natural History）で行定すれば真の明るさがわかるのだ。見かけの明るさの

34

IPMU News No. 13 March 2011

測定値と真の明るさを比較することで、暗くなり方の一般相対性理論に基づく宇宙論はアインシュタイ程度から距離を決定できる。彼女の発見こそ、科学的ン自身によって1917年に発表された。しかし、空間研究としての宇宙論の扉を開くものであった。太陽系は静止しているもの、という先入観に囚われていたアを超えて、天の川、そして銀河までの距離を測定する

インシュタインは、重力によって空間が時間進化する方法を人類はついに手に入れたのである。実際にハッのを防ぐために、重力と釣り合う斥力の項を自身の基

ブルは、この方法を用いて、アンドロメダ星雲までの礎方程式に導入した。これが宇宙項である。宇宙項は、距離を測定したのだ。

反重力として空間を引き延ばす働きをする。空間がダイナミックなものであることが後に明らかになると、膨張する宇宙天の川以外の島宇宙の認識と、ほぼ時を同じくし

アインシュタインはこの宇宙項の導入を後悔し「生涯最大の失敗」（Biggest Blunder of My Life）と述べたと伝えられている。て見出されたのが、膨張をするダイナミックな宇宙空間が膨張したり収縮したりする宇宙モデルは、フ像である。ここで登場するのが、スライファー（V.

リードマン（A. Friedmann）によって1922年に提案Splipher）だ。彼は、1910年代から20年代にかけて、された。膨張する宇宙モデルでは、スライファーの結（渦巻銀河）の分光観測を渦巻星雲（Spiral Nebula）果は自然に説明できる。膨らむ風船の表面を我々の宇行い、ほとんどの星雲のスペクトルが赤い側にずれて宙の空間と見立てると、風船が膨らむ、すなわち空間いることを見出した。赤方偏移として知られる現象でが時々刻々と拡がっていれば、どの銀河も互いに遠ざある。スライファーは、この現象を星雲（銀河）が我々かっていくことが容易に想像されるだろう。また、一から高速で遠ざかっていることで生じるドップラー効

般相対性理論では、光が銀河から我々まで伝播する間果によって引き起こされていると考えたが、空間の膨に、空間とともに光の波長も伸びる、と考えることで、張と結びつけることまではしなかった。

赤方偏移について説明することもできる。

空間が膨張するような宇宙は、1915年にアインシュ

しかし、単に銀河が遠ざかっている、というだけでタインによって発表された一般相対性理論によって初は、空間の膨張の決定的な証拠にはならない。きちんめて可能となる。それまでは絶対的と考えられていたとした法則に基づいて証明する必要がある。その法則

時間・空間の構造が、重力の働きによって変わりうるこそ、膨張の速度が距離に比例する、というハッブルことを示す理論だからである。の法則である。空間全体が場所や方向によらずに一様

35Feature17世紀

天動説

17-18世紀

地動説

20世紀

太陽は天の川の一員

ガリレオ・ガリレイ
エドウィン・ハッブル

静的な宇宙アルベルト・アインシュタインに膨張するものと仮定する。すると、すべての天体ののだ。

間の距離が等倍されることになる。結果として、距離が大きければ、それに比例して距離の増加分も大きいことになり、距離の増加分に比例する膨張の速度も大ビッグバン宇宙には始まりがあり、それは熱く、密度の高い状きくなることがわかる。
ハッブルは、リーヴィットの距離決定の方法を用い態であったことが明らかになったのは、1965年のこて銀河までの距離を求め、スライファーのデータと比とである。1940年代後半には、ガモフ（G. Gamow）

較することで、膨張の速度が距離に比例することを見と彼の共同研究者が、元素の起源を説明するために、出した。1929年のことである。宇宙の空間は、静的熱い宇宙の始まりを提唱した。元素の起源、そして宇なものではなく、ダイナミックに変化するものだった

宙の起源については、この後、ガモフらと、ホイル（F.

36

IPMU News No. 13 March 2011インフレーション

天の川は銀河の一員

標準
宇宙論
ペンジアス（左）とウィルソン熱い宇宙の始まり

膨張する宇宙？

ダークエネルギー
ダークマター

ジョージ・ガモフHoyle）らの間で激しい論争が繰り広げられることに膨張にともなって宇宙の温度が低下していっても、消なる。ホイルは、元素は星の中での核融合反応によっえ去ることなく残っている。それが宇宙マイクロ波背て生じたと考えた。また、宇宙については、始まりも景放射である。ペンジアスとウィルソンが偶然に発見

終わりもなく、ただ膨張を続けている、という定常宇した電波を温度に換算すると、絶対温度約3Kであっ宙論仮説（Steady State Cosmology Hypothesis）をた。論争に破れたホイルは、しかし、ビッグバンの名提唱したのである。

付け親ということで、一般に記憶されることとなった

こ の 論 争 に 決 着 を つ け た の が、 ペ ン ジ ア スのは、これもまた歴史の皮肉であろう。ラジオ番組で、（A.Penzias）とウィルソン（R.Wilson）による宇宙マ

ガモフの理論をからかって、「大爆発＝ビッグバン」

イクロ波背景放射の発見である。熱い宇宙には、温度と呼んだのこそ誰あろうホイルであったのだ。
一方で、に応じた光が充ち満ちていたと考えられる。
その光は、元素の起源については、水素、ヘリウムはビッグバン

37Feature

で作られ、一方、重い元素は星で作られる、というこピースである。ダークマターは、1930年代にツビッとがわかり、ガモフもホイルも正しかったことが後にキーによって「発見」された。彼は、銀河団に所属す明らかになった。

る銀河の固有運動を調べ、見えている物質の作る重力では、銀河を銀河団にとどめておくことができないことを見出したのである。とどめておくためには、大量標準宇宙論パラダイムのほころびの見えない物質＝ダークマターの存在が必要となるの20世紀に確立した新たな宇宙論のパラダイム、膨だ。その後、銀河の回転曲線や重力レンズといった方張する宇宙、熱い宇宙の始まり、そして、宇宙に満ち法によって、ダークマターの存在はほとんど揺るぎなあふれる銀河という描像が、標準宇宙論を導いた。しいものとなっている。未だ、正体は不明であり、現かし、20世紀も後半になってくると、標準宇宙論に在、ダークマターの候補となる未知の素粒子の探査がもまたほころびが目立ち始める。

盛んに行われている。例えば、IPMUも、神岡鉱山でビッグバンの困難を解決し、現在宇宙に見られる多Xmassという直接探査実験を推進している。また、ス様な構造の種を生み出す機構として提案されたのが、イス・フランス国境で稼働しているLHCでは、ダーク宇宙初期の急膨張、インフレーションである。真空がマター候補となる素粒子を作り出そうとしている。

莫大なエネルギーを持ち、空間を急膨張させ、真空の標準宇宙論パラダイムを、ことによると瓦解させて量子的な揺らぎを物質密度の揺らぎに転換させたのがしまうかもしれない最も危険なほころびこそ、ダークインフレーションだ。膨張によって、宇宙はいったんエネルギーである。ダークエネルギーは遠方の超新星ほぼ空っぽになり、その後、真空のエネルギーが熱の探査によって、1998年に「発見」された。超新星（とや粒子に転化してビッグバンが開始された。1992年、

くにIa型と呼ばれるタイプ）は、その減光の時間変化

COBE衛星による宇宙マイクロ波背景放射の温度揺らから、真の明るさを知ることができる。これを見かけぎが発見され、その揺らぎの空間パターンがインフの明るさと比較することで、遠方の宇宙までの距離をレーションの予想するものとほとんどぴったりと一致測定できるのだ。距離が求まれば、赤方偏移と距離のしたことから、現在ではインフレーションは、標準宇関係から、遠方での宇宙の膨張速度を決定できる。調宙論に組み込まれた一つのピースとなっているといっべてみると、遠方、すなわち過去の宇宙では、現在よても過言ではない。

りも膨張の速度が遅かったのである。これは膨張が加ダークマターもまた、標準宇宙論に組み込まれた38速していることを意味する。

IPMU News No. 13 March 2011

膨張の加速は、とてつもなく奇妙な現象である。通構造が重力によって集まってくるのを阻害する。構造常の重力は引力しか及ぼさないために、膨張速度を遅が育ちにくくなるのである。構造の育ち方で、ダークくする働きのみをするからである。
加速するためには、エネルギーの時間進化を求めることが可能となるの何らかの斥力、つまり反重力を及ぼす存在が必要となだ。もう一つの方法が、バリオン音響振動（Baryonる。すぐに思いつくのが、アインシュタインの宇宙項Acoustic Oscillation）という効果を用いる方法である。

だ。また、インフレーションを引き起こした真空のエ銀河の分布には、初期宇宙での音響振動に起因する特ネルギーも、有力な候補である。そこで、宇宙を加速別なサイズの構造が存在している。このサイズの物理させる未知のエネルギーのことをダークエネルギーと的な長さは、理論的に予想できる。一方、観測される呼ぶようになった。しかし、これは名前をつけただけ見かけの長さは、途中の空間を支配しているダークエのことであって、実際の正体は全く持って不明である。

ネルギーの量によって変化する。つまり、遠方にあるダークマターと違って、ダークエネルギーは非常に希

この構造を測定することで、ダークエネルギーの量が薄に宇宙全体に拡がっているために、直接検出はほぼ決定できる、というわけである。

不可能である。現在のところ、ダークエネルギーに迫IPMUでも、すばる望遠鏡と組んでダークエネルギーる唯一の可能性は、宇宙の膨張速度の詳細測定だ。赤の探査をすすめている。まず、2011年度中には稼働方偏移の関数として、膨張速度がどのように時間変化をはじめる超広視野カメラHSCを用いて、遠方の銀河しているのかを決定できれば、ダークエネルギーの時が被る重力レンズ効果の測定を行う。次に、次世代多間進化や物理的性質の一端を知ることができる。その天体分光器PFSによって、バリオン音響振動を測定し、ために、超新星や銀河などの大規模な探査計画が立案、さらに詳細にダークエネルギーの情報を得るための計実行されている。

画を立案中である。

銀河を用いてダークエネルギーを測定するには二果たして、ダークエネルギーは標準宇宙論にはめつの方法がある。まず、遠方の銀河が被る重力レンズ込むことのできる一つのピースに過ぎないのであろう効果を用いる方法である。この重力レンズ効果は、途か。それとも、ここまで100年をかけて培ってきた標中のダークマターが作る構造によって引き起こされ準宇宙論を覆し、全く新たなパラダイムへのシフトをる。構造がどれだけ育っているかによって、効果の大促す先兵なのだろうか。その答えを探し求めることこきさが異なる。一方で、ダークエネルギーは空間を加と、IPMUの大きな使命といえよう。

速させる斥力として働くため、その量が多くなると、

39

Feature