第 5 章そもそも我々は なせ存在するのか ? [ 専門 ] 素粒子宇宙物理学 村山斉 むらやま・ひとし -Hitoshi Murayama 1964 年、東京生まれ。 86 年、東京大学理学部卒。 91 年、東大大学院理学系研究科博士課程修ヤ、東北大学理 →学部物理学科助手。 93 年に渡米し、ローレンス・一バ三クレー国立研究所研究員、 2000 年カリフォルニア大ノヾー クレー校物理学科教授び 03 年、プリ・ンストン高等研究所メンバ。 08 年 1 帰国、東京大学数物連携宇宙研究 機構 (IPMU) 初代機構長、特任教授に着任。 02 年、西宮湯川記念賞、 2003 米物理学会フェロ。

第 2 章宇宙は何で できているのか ? [ 専門 ] 宇宙物理学、天文学 吉田直紀 よしだ・なおき Åaoki Yoshida 1973 年、千葉県生まれ。東京大学工学部航空宇宙工学科卒業。同大学院工学系研究科 ( 工学修士 ) 、スウェー デン王立工科大学大学院 ( 応用数学修士 ) 、マヅクスプランク宇宙物理学研究所 ( 博士課程 ) 、米国ハーバード大 学天文学科研究員、国立天文台、名古屋大学大学院理学研究科 ( 助教 ) を経て、 2008 年東京大学数物連携宇 宙研究機構特任准教授。著書に「宇宙 137 億年解義コンピュータで探る歴史と進化氣東京大学出版会 ) など。 [ 専門 ] 天文学 ジョン・シ ) りヾーマン J0hn Silverman 1969 年、米国マサチューセッツ州生まれ。 1992 年↓マサチューセッツ大学アマ三スト校、物理学学士取得。 98 年い バージニア大学で天文学修士取得 2004 年、天文学博士号取得同年から 2007 年までマックスプランク地球 ー外物理学研究所、チューリッヒ工科大学を経て、 2009 年より東京大学数物連携宇宙研究機構 (IPMU ) 助教に・ 着任。

第 2 章宇宙は何でできているのか ? 観測手段のない「暗黒時代」を見に行く 4 コンピュータの中に宇宙を再現する (l) 宇宙初期の状態は、ビッグバンから 38 万年後の「宇宙の晴れ上がり」 の宇宙マイクロ波背景放射を観測することで、かなり詳しくわかって きました。そのことは、杉山先生のお話 ( 第 1 章宇宙はどのように 始まったか ) の中で詳しく出てきたかと思います。 また、宇宙望遠鏡や観測衛星により、ビッグバンから 6 億 3 千万年後 の銀河の姿も観測できるようになりました。しかし、その間 ( 3 8 万年 後 ~ 6 億 3 千万年後 ) の宇宙の様子に関しては、今のところ観測手段 がまったくないのです。ビッグバンから 137 億年経ったいまの宇宙を 100 歳の人とすると、 38 万年後の晴れ上がりは生まれて 4 時間後、 6 億 3 千万年後は 6 歳にあたります。つまり、生後 4 時間から 6 歳を過ぎるま で、成長アルバムには ということになります。 たった 1 枚のスナップショットも ない 一度晴れ上がり、背景放射が見えたのに、なぜその後が見えないの ですか ? 計算によるとこの頃の宇宙は、水素とヘリウム、そして多くの暗黒 物質が入り交じったごくうすいスープのようなものが全体にただよっ ている状態でした。宇宙が晴れ上がって見通しはよくなりましたが、 見るものもなく真っ暗といった方が良いかもしれません。 しかし、この「暗黒時代」に、じつは最初の星が誕生する準備が着々 と進んでいたと考えられています。観測手段のない暗黒時代に迫るに

ます。光より速く伝わるものはないので、もしも太陽が大爆発しても 8 分くらいはわからないわけです。 では月はどうでしようか。地球から月までの距離は約 38 万キロメー トル。光の速さは秒速約 30 万キロメートルなので、月の光が地球に届 くまで約 1 秒。だから私たちは、いつも 1 不少前の月を見ていること になります。 こんどは望遠鏡で、それもすごくよく見える天体望遠鏡で星空をの ぞき、肉眼では見ることのできない星を見たとします。いろいろな方 法で調べたら、その星から地球までは光でも 10 億年かかる距離だった とします。それは何年前の星の姿になりますか。 10 億年前の姿ですね。 そのとおり ! 天体望遠鏡は遠くの星の形やようすをとらえ る観測の道具ですが、じつは宇宙の過去の姿をとらえる、タイムマシ ンのようなのぞき眼鏡でもあるのです。実際にはなかなかむずかしい のですが、たとえば光で 10 億年かかる距離の星や銀河を数多く調べる と、 10 億年前の宇宙のようすがわかってきます。 1 いる 水 13ßは 8 分ホ円

第 3 章宇宙の運命はどうなるのか ? 暗黒エネルギーに近づく手がかりは ? 0 0 綱引き相手の重力に着目 宇宙の膨張が重力の働きでどれだけ遅くなっているか。そのことを 2 つの研究者グループが正確に測定しようとしました。すると確かに 宇宙の膨張は 70 億年前までは遅くなっていたのですが、信じられない ことにその後は、勢いをつけてどんどん速くなっていたのです。彼ら は驚いて、世界中に報告しました。 言い換えると、暗黒エネルギーが星や銀河が引き合う重力より強く なり始めたのは、どうやら 70 イ意年くらい有からだというこ とになります。 70 億年前・・・と言われても、実感できない。 宇宙が誕生したのは、いまから約 137 億年前です。仮にいま宇宙が 100 歳だとすると、ちょうど 50 歳を過ぎたころからイ言じられな い体力がわいてきたということになります。 なるほど ! 信じられないくらい強くなってきた宇宙を膨張させる力、暗黒エネ ルギー。しかし、暗黒エネルギーは、見えない、手にとらえられない 存在です。では、どうしようか。 そこで私たちはこう考えたのです。暗黒エネルギーの姿がさつばり 見えないのであれば、まずはこの力と綱引きをしているもう一方の重 98

第 1 章宇宙はどのように始まったのか ? オギャーと生まれたとたん◎ いろいろなことが起きる◎ ・◎ それは宇宙もヒトも同じ ? インフレーションは宇宙誕生後、 10 のマイナス 36 乗秒後という早 い時期、 4 秒後に反粒子が消え、 3 分後に元素ができ、 38 万年後に晴れ上 がった。 137 億歳の宇宙のごくごく始めに、いろんな事が集中して起こる のは、どういうわけでしよう。 いい質問だと思います。インフレーションは宇宙が始まって 10 のマ イナス 36 乗秒後ですから、はじまりの 1 秒の 1 兆分の 1 の 1 兆分の 1 の、さらに 1 兆分の 1 たった時に起きました。 その後のでき事が 4 秒、 3 分、そして 38 万年後。宇宙で最初の星、ファ ーストスターが輝き始めるのは数億年後ですから、桁が加速的に増え ています しかし、私たち人間はどのように生まれてきますか ? 受精後、受 精卵はお母さんのお腹の中で分裂をくり返し、 280 日間、 40 週前後で 生まれてきます。子宮の中で、ほば人間らしい姿に整うのが 12 週目。 手足も内臓器官も、たった 12 週間 80 日ちょっとでそろいます。生まれ てからも、 3 ヶ月程度で寝返りをうち、はいはいを始め、立って、 1 年 が経っ頃には、歩き始めます。その後は、別に空を飛べるようにもな りませんし、 80 年の人生、もっとゆっくり変化していきます。だから 宇宙のごく初期にいろいろなでき事が集中するのは、不思議なことで はないと思うのです。 52

第 1 章宇宙はどのように始まったのか ? ・◎誕生 38 万年後に晴れ渡った宇宙 宇宙マイクロ波背景放射は、宇宙交響楽の写し絵 つぎは、宇宙誕生 3 分後から一気に 38 万年後へと下ります。その間は、 ほとんど何も起きません。 38 万年後、宇宙スープのラ品度が下がってくると、スープの 中をふらふらしていた電子は、陽子やヘリウムにつかまりやすくなっ てきます。やがてほとんどの電子が、陽子やヘリウムにつかまると、 電子に衝突ばかりしていた光は、どこまでもまっすぐに進むこ とができるようになります。さえぎられることなく直進する光は、ビ ッグバンから 38 万年たったときの自身のようすを、 137 億光年を旅して、 現在の私たちに伝えてくれます。この光こそ、いま宇宙のあらゆる方 向からやってくるビッグバンの証拠、「原初の光」、宇宙マイクロ波背 景放射なのです。 また、宇宙マイクロ波背景放射のわずかな電波強度の違い、つまり 温度のゆらぎが、宇宙の大規模構造へと発展していったことは先に述 べたとおりです。画像は最新の WMAP 衛星による温度のゆらぎの観 測結果です。 COBE のものより、ずっと細かいですね。 少し詳しく説明しましよう。このビッグバン時代の宇宙の温度ゆら ぎを示すシワは、誕生 38 万年後の宇宙がっくりだす「音」だったとも いえるのです。温度のゆらぎは、陽子や電子、そして光が混じった宇 宙スープ、つまりプラズマの密度の濃い・薄いです。気体や、誕生後 50

第 1 章宇宙はどのように始まったのか ? ・◎コービーの大発見 絶対温度 2.725 度と 10 万分の I の「ゆらぎ」 1965 年、ビッグバンから 38 万年後の「原初の光」である「宇宙マイ クロ波背景放射」が発見されたことで、ビッグバン理論と定常宇宙論 の争いには一応の終止符が打たれました。また、 2 人の研究者ペンジ アスとウイルソンは、 1978 年にノーベル物理学賞を受賞しました 一応の終止符ということは、まだ完全ではないということですか。 ビッグバンのようすをくわしく探るには、より精密な観測が求めら れます。具体的には、いろいろな波長の電波で観測を行い、精密な 温度を測る必要があります。さまざまな波長で観測することで初め て、ビッグバンという熱い状態に宇宙があり、宇宙マイクロ波背景放 射がビッグバンからの熱放射であることが明らかにできるのです。ペ ンジアスとウイルソンは、 7 センチの波長の電波を測定しただけでした しかし、より短い波長での観測はきわめて困難でした。水蒸気や、ひ じように細かいチリなどで電ラ皮カゞプロックされるからです。そ (COBE) という探査衛星が宇宙空間に打ち上 こで 1989 年、コービー げられ、精密な観測がなされました そして観測開始から半年後の 1990 年、宇宙マイクロ波背景放射がビ ッグバンからの熱放射であることが疑う余地なく証明されました。そ の温度は、絶対温度 2.725 度を示していました。理論で予想されたビ ッグバンの名残温度 ( 絶対温度 3 度 ) にきわめて近い値で、ビッグバ ン理論はようやく確かなものになったのです。ルメートルが「原初ア 5 32

突然始まってはいけないのですか ? 宇宙の始まりに インフレーションというものすごい膨張があった ことを思い出してください このインフレーションの様子は少しずっ 分かっていますが、じつはどういう理由で起こったかはまだ分かって いません。ただ確かなことは、インフレーションのエネルギーは全部 消えてしまい、その後、光や物質の重力が支配し、減速する膨張の宇 宙になったことです。 それから 70 億年くらいたって、また宇宙は加速しながら膨張を始 めているらしい。これは、第 2 のインフレーションともいわれていま す。すると 70 億年間、宇宙は加速のためのエネ ) レギーをし ていたことになります。これが大問題で、「偶然一致性問題」と呼 ばれています。 宇宙が始まってから 137 億年の、なぜ 70 億年くらいたった時期に 第 2 のインフレーションが起きたのか ? というわけです。 0 0 0 0 0 111

第 4 章宇宙はどんな法則に支配されているのか ? 予 の ム刪 一三卩 理 大 陽子もいすれは崩壊してしまう 大統一理論は、電磁気力、強いカ、弱いカの 3 つの力をひっくるめ て説明しようとするものですが、この理論はまた、「陽子は放ってお くと遠い将来に崩壊する」 ことも予言し、人々を驚かせました。 陽子が崩壊するとは、どういうことですか ? 陽子が壊れていくつかのもっと軽い粒子に変化してしまうというこ とです。 例えば、中性子も単独で置いておくと 10 分くらいで崩壊することが わかっています。しかし、陽子はひじように安定した粒子で、これま でにその崩壊は観測されていません。陽子の崩壊を検出しようという 実験では、 10 の何十乗年もの長い間、じっと陽子を観察しつづけるわ けにはいきません。そこで、理論的にはごくまれに起こるはずの陽子 崩壊を、 するために、各国で 大型の観測装置が作られました。じつは、地中深くに建設されたわが 国のカミオカンデも、当初の実験目的は、この陽子崩壊をとらえるこ とでした 1974 年ころの最初の予言では、陽子の寿命は 10 の 30 乗年あたりだろ うとされました。しかし、その後の実験でも陽子の崩壊は検出されず、 現在では、陽子の寿命は 10 の 34 乗年よりは長いだろうと考えられてい 大きな網を張ってキャッチ 150