宇宙の誕生とビッグバン理論：一般的な説明と関連性について解説
宇宙の始まりについての最も一般的な説明は、ビッグバン理論です。ビッグバン理論とは、宇宙は約138億年前に超高温・超高密度の状態から始まり、それが大きく膨張することによって低温低密度になっていったとする膨張宇宙論のことです。
この記事では、ビッグバン理論の概要や歴史、証拠などを詳しく解説します。
ビッグバン理論とは
ビッグバン理論は、宇宙の起源や進化を説明する理論です。ビッグバンとは、宇宙の始まりの瞬間に起こったとされる爆発的な膨張のことを指します。ビッグバンは、宇宙の中にあるすべての物質やエネルギー、空間や時間が一点に集まっていた状態から始まりました。
その一点は、非常に小さくて、非常に高温で、非常に高密度でした。その一点が突然膨張し始めて、宇宙が誕生しました。
ビッグバン理論によると、宇宙は以下のような段階を経て現在の姿になりました。
- インフレーション期：宇宙の始まりから10の-34乗秒後までの期間。宇宙は指数関数的に急速に膨張しました。この膨張によって、宇宙の構造や物理法則が決まりました。
- ビッグバン期：宇宙の始まりから10の-6乗秒後までの期間。宇宙は非常に高温・高密度の状態で、光や素粒子などが生まれました。素粒子は反粒子と衝突して消滅し、光子と呼ばれる光の粒子に変わりました。しかし、素粒子よりも反粒子の方が少なかったため、残った素粒子が物質のもとになりました。
- 原子核合成期：宇宙の始まりから3分後までの期間。宇宙の温度が下がって、素粒子が原子核を形成し始めました。最初にできた原子核は水素とヘリウムでした。この期間に、宇宙の元素の約75%が水素、約25%がヘリウムになりました。
- 再結合期：宇宙の始まりから38万年後までの期間。宇宙の温度がさらに下がって、原子核が電子と結合して原子を形成し始めました。最初にできた原子は水素とヘリウムでした。この期間に、宇宙は透明になり、光が自由に伝わるようになりました。この光が宇宙背景輻射として今も観測されています。
- 銀河形成期：宇宙の始まりから1億年後から30億年後までの期間。宇宙の中にある物質が重力によって集まり始めました。最初にできたのは暗黒物質と呼ばれる見えない物質でした。暗黒物質は通常の物質を引き寄せて、銀河や星の形成の場を作りました。この期間に、最初の恒星や銀河が誕生しました。
- 現在：宇宙の始まりから138億年後の今。宇宙は今も膨張を続けています。膨張の速度は加速しており、宇宙の運命は不明です。宇宙には多くの銀河や星、惑星などが存在しています。その中の一つの惑星である地球には、生命が誕生し進化しました。
ビッグバン理論の歴史
ビッグバン理論は、20世紀初頭に発展した一般相対性理論と天文学の観測に基づいて生まれた理論です。以下に、ビッグバン理論の歴史の主な出来事を挙げます。
- 1915年：アインシュタインが一般相対性理論を発表しました。一般相対性理論は、重力は物質によって歪められた時空によって生じるという理論です。一般相対性理論は、宇宙の構造や運動に関する方程式を与えました。
- 1917年：アインシュタインが静的な宇宙モデルを提案しました。アインシュタインは、宇宙は膨張も収縮もしない静的な状態にあると考えました。しかし、一般相対性理論の方程式では、宇宙は重力によって収縮するという結果になりました。そこで、アインシュタインは方程式に宇宙項と呼ばれる項を加えて、宇宙の収縮を防ぐ反発力を導入しました。
- 1922年：フリードマンが宇宙項のない一般相対性理論の方程式を解いて、膨張する宇宙モデルを導き出しました。フリードマンは、宇宙は一様に密度が分布しており、時間とともに膨張するという仮定のもとで、宇宙の半径や密度、温度などの時間変化を求めました。フリードマンのモデルでは、宇宙は有限の大きさから始まり、無限に膨張するという結論になりました。
- 1927年：ルメートルが宇宙項を導入した一般相対性理論の方程式を解いて、膨張する宇宙モデルを得ました。ルメートルは、宇宙項は膨張を加速する働きがあると考えました。ルメートルのモデルでは、宇宙は無限に小さな原子から始まり、膨張とともに冷却されていくという結論になりました。ルメートルは、宇宙の始まりを原始原子と呼びました。
- 1929年：ハッブルが遠くにある銀河ほど高速で遠ざかっていることを発見しました。
- 1931年：ルメートルが宇宙の始まりを「爆発的な原子」と呼び、宇宙の膨張はその爆発の結果であると述べました。この考えは、後に「ビッグバン」という名前で呼ばれるようになりました。
- 1948年：ガモフが宇宙の初期には高温であったために、水素とヘリウムなどの軽元素が合成されたとするビッグバン元素合成の理論を提唱しました。この理論は、宇宙の元素の存在比を説明することができました。
- 1964年：ペンジアスとウィルソンが宇宙マイクロ波背景放射（CMB）を発見しました。CMBは、宇宙の再結合期に放出された光が、宇宙の膨張によって赤方偏移したもので、宇宙の初期の状態を反映しています。CMBの発見は、ビッグバン理論の最大の証拠となりました。
- 1980年代：インフレーション理論が提唱されました。インフレーション理論は、宇宙の始まりからごく短い時間の間に、宇宙が指数関数的に急速に膨張したとする理論です。インフレーション理論は、ビッグバン理論におけるいくつかの問題を解決することができました。
- 1990年代以降：衛星や望遠鏡などの観測装置が発達し、宇宙の膨張やCMBの詳細な測定が可能になりました。これにより、宇宙の年齢や密度、成分などのパラメータがより正確に求められるようになりました。また、宇宙の膨張は加速していることや、宇宙の大部分を占めるダークマターやダークエネルギーという未知の物質やエネルギーの存在が明らかになりました。これらの発見は、ビッグバン理論の修正や拡張を必要とする新たな課題となっています。
