FEATURE

高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所 / Kavli IPMU 教授

羽澄 昌史

はずみ・まさし

専門分野：実験物理学

ビッグバン以前の宇宙は見えるか?＊1

はじめに宇宙誕生の瞬間とは? 宇宙創生を支配する物理学の宇宙マイクロ波背景放射（CMB）とビッグバン宇宙論

CMBは全天から降り注ぐ宇宙最古の電磁波で、周根本法則とは? これらの問いに答えることは科学の大波数は、およそ160 GHz（波長 2ミリ程度）を中心といなる挑戦の一つです。と同時に、科学を超えたセンしています。1964年（論文掲載は1965年）にアーノ・ス・オブ・ワンダー（感動をともなう不思議な感覚）

ペンジアスとロバート・ウィルソンにより 発見されを呼び覚ます研究テーマです。究めようとすると、「何ました。2人はその業績で1978年のノーベル物理学賞もない状態から存在をつくりだす」などといった問題を受賞しています。
宇宙はビッグバンのあと膨張しながら冷えていきまにすら直面してしまうのです。
宇宙はどこまでさかのぼって見ることができるでした。誕生から約38万年たった頃の宇宙では、電子しょうか? 宇宙の始まりには、熱い火の玉状態でビッと陽子がバラバラに存在していた状態から、お互いがグバン（宇宙の膨張）が起きた、と言われます。ビッくっついて水素原子になるという大きな変化が起きまグバンを、とにかく宇宙の始まりの瞬間のこと、と定す。それまで電子としょっちゅう衝突していた電磁波義してしまうと、論理的にその前はないことになりそは、以後自由に宇宙空間を伝わることになります。こうです。でも、ビッグバンも物理学で記述できる現象のできごとは「宇宙の晴れ上がり」と呼ばれています。に過ぎないと思えば、その準備期間があっても良い気この自由に伝わり宇宙に満ちた電磁波がCMBです。

がしてきませんか?

晴れ上がりのCMBの温度は約3000 Kでした（以下、

実は、観測技術の進歩のおかげで、今や人類は熱い。一方、CMB温度はすべて絶対温度（K）で表します）

火の玉状態以前の宇宙（ビッグバン以前の宇宙）を観の現在の温度は約2.7 Kだとわかっています。低くなっ測できそうなのです。いくつかのやり方が提案されてたのは宇宙膨張とともに CMB の波長が伸びたからでいますが、最も有望な方法が、宇宙マイクロ波背景放す（電磁波の波長が長くなれば、その温度は低くなり射（Cosmic Microwave Background, 以 下CMB）のます）。これ以外にはCMBの存在は説明できないので、偏光測定です。現在、世界的な競争状態にあります。

CMBの存在そのものが、ビッグバンの重要な証拠と＊1

JAXA宇宙科学研究所のISASニュース 2016年9月号（No.426）宇宙科学最前線「ライトバード（LiteBIRD）でビッグバン以前の宇宙を探る」をもとに加筆。

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されています。

1989年には米国の COBE 衛星が地球周回軌道でのKavli IPMU News No. 36 December 2016ᅗ 1 ࣉࣛࣥࢡ⾨ᫍ࡟ࡼࡿ CMB ᗘࡺࡽࡂࡢほ ⤖ᯝࠋᶓ㍈ࡣࣃ࣮࣡ࢫ࣌ࢡࢺࣝࡢἼᩘࠊ⦪
図1 プランク衛星によるCMB温度ゆらぎの観測結果。横軸はパワースペクトルの波数（ゆらぎの㍈ࡣࡺࡽࡂࡢᙉᗘࢆ࠶ࡽࢃࡍࠋᐇ⥺ࡣࠊᶆ‽Ᏹᐂ⌮ㄽ࡟ࡼࡿࣇ࢕ࢵࢺ⤖ᯝࢆ♧ࡍࠋୗᅗࡣほ模様の「細かさ」に相当）、縦軸はゆらぎの強度をあらわす。実線は、標準宇宙理論によるフ⤖ᯝ࡜ࣇ࢕ࢵࢺ⤖ᯝࡢᕪࢆ♧ࡋ࡚࠸ࡿࠋィット結果を示す。下図は観測結果とフィット結果の差を示している。

観測を開始しました。CMB 精密観測時代の幕開けで精度でわかってきたのです。

Featureす。COBE 観測の功績により、2006年のノーベル物

2015年に発表されたプランク衛星の観測結果を図

理学賞はジョン・マザーとジョージ・スムートに与え1に示します。実線が理論予想、点が観測結果（棒はられました。その後、2001年には角度分解能でCOBE誤差）を示します。CMBの温度を全天にわたり精密をしのぐ WMAP 衛星が太陽と地球のラグランジュ点「ゆらぎ」と表現します）に観測し、どれほどのムラ（＊2さらに2009年にはヨーの 1 つ（L2） で観測を開始し、があるかを解析（スペクトル解析と言います）した結

ロッパが主導して、WMAP 衛星の感度と角度分解能果で、横軸がゆらぎのサイズ、縦軸がゆらぎの大きさを上回るプランク衛星が打ち上げられました。これらを表します。たとえ図の意味を知らなくとも、理論との観測によって、宇宙の年齢が約138億年であること観測がとてもよく合っていることがわかりますよね。

や、宇宙はまだ人類が理解できない謎のエネルギーにまさに精密宇宙論と呼ぶにふさわしい結果です。これ満ちていることなど、我々の宇宙の驚くべき姿が高いは驚くべきことだと思います。100 億年以上も昔のこ＊2とが正確にわかってしまうのですから。

本誌の裏表紙を参照。

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電磁波には、波長（色）、強度（明るさ）、偏光（振うと、そうでないのです。ここが面白いところです。

動の方向）の 3 要素があります。プランク衛星後の物理学研究は、将棋のルールを知らない人が、対局をCMB 研究のフロンティアはまだ精密に観測されてい横で眺めるだけでルールを突きとめるようなものです

ない偏光の観測に移りつつあります。CMB 偏光の観（このやり方で完全なルールブックを突き止めるのは、測により熱いビッグバン以前の宇宙を探れるからで骨が折れることでしょう）。現在の標準理論は、未完す。それがどんな宇宙だったか、人類はまだ正解を知成なものなのです。私を含む多くの物理学者は、宇宙りませんが、最も有力な仮説がインフレーション宇宙のルールブックには、私たちがまだ知らない物理学の仮説です。

根本法則が書いてあり、それはインフレーション宇宙も作れるし、現在の標準理論も導けるはずと思っています。
すでに物理学根本法則の提案はいくつかあって、インフレーション宇宙仮説観測によるテストを待っています。代表的な例としてインフレーション宇宙仮説は1980年代初頭に提案

は超弦理論があり、世界は 4 次元を超えた高次元ででされました。基本的アイディアは実に簡単で、宇宙きており、万物の根源は素粒子ではなく、ひも状の何は、熱い火の玉状態になる前に急激な加速膨張を起こかであるというような、とても大胆な予想をしていました、というのです。このたった一つの仮定で、素朴す。

なビッグバン宇宙論のいくつもの問題を一網打尽に解＊3
現在最有力の仮説なのです。こ決してしまうので、れまでの観測結果も、すべてインフレーション宇宙仮

CMB偏光による原始重力波観測説をサポートしています。

では、どんな観測をすれば、インフレーション宇宙

こう書くと、インフレーション宇宙仮説が正解でいいのでは、と思われるかもしれませんが、ことはそう仮説の決定的な検証ができるでしょうか? 答えは「原＊4始重力波」です。

単純ではありません。人類が現在手にしている物理学

インフレーション宇宙仮説の最も重要な予言は、原の標準理論（最も基本的な法則を集めたもの）と矛盾始重力波の生成です。重力波とは、時空のゆがみが波するのです。宇宙の森羅万象は、すべて物理法則どおとして伝わる現象です。インフレーションの加速膨張りに動いています。問題は、標準理論では宇宙の加速は重力波を生みます。天体の運動で生まれる普通の重膨張は起こせない（減速膨張しかしない）ということ力波と区別して、これを原始重力波と呼びます。原始なのです。物理学の標準理論にしたがうかぎり、宇宙は、いわばブレーキだけあってアクセルのない車のようなものでしかないはずなのです。
じゃあインフレーション宇宙仮説はダメなの、とい32＊3

インフレーション仮説がどんな問題を解決するかについては、たとえば Kavli、デイビッド・スパーゲル「宇宙はどのようIPMU News Vol. 10（June 2010）に始まったか?」を参照。

＊4

Kavli IPMU News Vol. 26（June 2014）p. 72、佐藤勝彦「宇宙のインフレーションと原始重力波」参照。

Kavli IPMU News No. 36 December 2016ᅗ 2 CM
BBモード観測の現状。横軸・縦軸は図１に同じ。丸は中央値、三角は上限値をあらわす。鎖線がまだ観測࣮ࣔࢻほ ࡢ⌧≧≧ࠋᶓ㍈࣭⦪
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2 CMBモードの理論予想を示す。一点鎖線はが我々のもとに電磁波として届くされていない原始重力波によるB
CMB
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までに天体などにより進路を曲げられるため生まれる見かけの B モードで、すでに観測されている。実線は2つの B モードの合計をあらわす。（作図は Kavli IPMU/カリフォルニア大学バークレー校の茅根裕司氏による。）

重力波の検出なくしてインフレーション仮説を証明す

しくは準備中です。我が国でも高エネルギー加速器研

ることはできないので極めて重要です。

究機構（KEK）やカブリ数物連携宇宙連携機構の研究

CMB 偏光を使った原始重力波の検出方法を説明し者を中心に国際共同チームに参加し、チリ・アタカましょう。原始重力波はインフレーション宇宙で生まマ高地にCMB 望遠鏡を設置して観測を行っています。

れた後、晴れ上がりの時にも宇宙空間を満たしており、ポーラーベアプロジェクトと名付けられたこの観測研

CMB 偏光の分布に特殊な渦巻きパターン（「Bモード」究についてより詳しく知りたい方は、例えば拙著『宇という名前がついてます）を刻印したと予想されていま宙背景放射「ビッグバン以前」の痕跡を探る』(集英社

す。これを検出すれば、インフレーションの動かぬ証拠新書）をお読みください。

です。人の指紋を検出するのと似たような感じです。

CMB 偏光について、これまで世界中で行われた探現在、原始重力波の発見を目指した CMB 偏光観測

索結果のまとめを図 2 に示します。図 1 は温度のゆらの世界的競争が行われていて、群雄割拠の状態です。

ぎをスペクトル解析した結果でしたが、図 2 は B モー

地上の望遠鏡や気球を使ったプロジェクトが進行中もドのゆらぎをスペクトル解析した結果です。たくさん33Featureデータがあります（丸は中央値、三角は上限値）が、図 3 に LiteBIRD の概念図を示します。ひとことで言要するに、横軸の値が小さいところで見えるはずの原

えば、「ナノケルビン程度しかない B モードのムラを始重力波の信号（図中の鎖線がインフレーション宇宙見る究極の観測装置」です。以下、メカ好きな読者の仮説の予想）はまだ見えていない、ということです。

ためにミッション部観測装置を空側から CMB の進む上限だけが得られています。原始重力波を発見するに方向に沿って説明すると、1）観測の系統誤差を減らは、これまでより少なくとも10倍以上の感度で観測すために CMB を変調する回転半波長板、2）およそ 4を実行しないといけません。地上でより感度の高い観K に冷却した直径約 80 cm 程度の主鏡と一枚の副鏡を測を行うために、ポーラーベアプロジェクトでは最終持つ反射光学系、および高周波側の観測に特化した小的に望遠鏡を3台設置して同時観測を行うことにしてさな屈折望遠鏡、3）100 mK の熱浴温度で動作する

おり、準備が進んでいます（サイモンズアレイ計画と超伝導検出器アレイ、4）読み出し回路系、5）ジュー名付けられています）。

ル・トムソン冷凍機とスターリング冷凍機で構成され決定的な観測をするには大気の影響を受けず全天をる予冷系、および 6）断熱消磁冷凍機からなります。

カバーする究極の測定が必要になります。つまり衛星

WMAP やプランク衛星と同様、地球から150万km 離計画です。我が国では2008年ごろにすでにこうしたれた太陽・地球のラグランジュ点の一つ（L2）で 3 年

流れを読んで、世界に先駆けて比較的小型の衛星を打間の観測を行うことを検討しています。歳差運動する

ち上げる検討をKEKのCMBグループが中心となってコマのような運動をすることにより、まんべんなく全開始しました。これがライトバード（LiteBIRD）計画

天をスキャンする方式を考えています。超伝導検出器です。

アレイによって、40 GHz から 400 GHz までを15 バンドに分けて観測する予定です。全般に、地上観測で使い込んでいる技術の延長としての検出器システム

ライトバード（LiteBIRD）衛星計画に、これまでの JAXA の科学ミッションで実績のあるLiteBIRD 計画は、2015年2月に JAXA 宇宙科学研究所へ正式提案を行い、初期の審査を通過しました。現

冷凍機や衛星バスのコンポーネントを使って、高い実現性をもたせる計画です。

在、KEK、東大Kavli IPMU、JAXA、岡山大、国立天文台、Kavli IPMUは、LiteBIRD計画を進めるにあたり、中カリフォルニア大バークレー校、マックスプランク心的な役割を担っています。Kavli IPMUといえば、理宇宙物理学研究所などから総勢130名以上の研究者が論物理、数学、コンピュータを使った研究というイ

LiteBIRD ワーキンググループに参加し、2020年代半メージが強いかもしれませんが、柏の葉キャンパスのばの打ち上げを目指して概念設計に従事しています。

建物の1階にはちゃんと実験室もあり、LiteBIRD のた

CMB 観測を手掛けている研究者以外にも、X 線天文めの装置の開発研究を行っています。CMBを変調す学や赤外線天文学の研究者などが参加しています。

る回転半波長板については、昨年着任した松村准教授

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Kavli IPMU News No. 36 December 2016

図3 LiteBIRD衛星の概要。

が世界的なエキスパートで開発をリードしており、桜井研究員が実験室で様々な測定をしています。反射光

おわりにFeature

学系については素材や検証計画の検討を菅井准教授がCMB の観測はこれまで二度のノーベル物理学賞に中心になって行っています。さらに片山副機構長の活輝いていますが、原始重力波の発見は、それを超えた躍により、実験室の整備や東大の他の研究室との連携大成果になると言われています。
なんといっても、ビッも進んでいます。もちろんコンピュータを使った研究

グバン以前の宇宙からの信号です! 衛星による精密観も盛んで、特に前景放射をCMBからいかに分離する測は、発見だけでなく、超弦理論などの物理学根本法かが焦点となっています。Kavli IPMU の新しい PI（主則の候補をテストするという役割も担います。決して任研究員）の一人でもある小松英一郎・マックスプラ

簡単ではない実験プロジェクトですが、少しでも感度ンク宇宙物理学研究所長が国際チームを率いてこの重を上げて、ぜひ「全ての始まり」という大いなるセン要課題に取り組んでいます。 Kavli IPMUでは、ここス・オブ・ワンダーを呼び覚ます問題に迫っていきたまで述べた方々以外にも、数名の研究員と大学院生がいと考えています。ご期待ください!

LiteBIRD衛星の開発研究に携わっています。

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