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* 電子・IT・新技術12:宇宙背景放射(1965年:ペンジャス&ウィルソン)

Q90: この宇宙最古の化石は何か?

この宇宙はいつどのように生まれたのだろう?という疑問は科学の3大問題の一つといわれている(他の2つは、物質とは何か?生命とは何か?)。この難問に対し、ベルギーの司祭で天文学者のルメートル(Georges-Henri Lemaître、ベルギー、1894~1966年)は1930年頃、「宇宙は『宇宙卵』が創生の瞬間に爆発して始まりその後膨張を続けている、その年齢は100~200億年くらいだ。」という、ビッグバンモデルを提唱し、当時大きな反響(議論)を呼んだ。尚、これにビッグバンという名前を付けたのは、この仮説を全くもってナンセンスと批判した英の天文学者でSF作家のホイル(Sir Fred Hoyle、英、1915~2001年)。彼は宇宙に始まりがあるという仮説を嫌悪し、嫌味な名前「ビッグバン」をつけた。ところがこの名前を面白がって使ったのが、1940年代にビッグバンモデルを理論展開した、ガモフ(George Gamow、露⇒米、1904~1968年)である。ガモフはその中で、ビッグバンで発生した光が140億年後の現在、マイクロ波の化石となって宇宙全体に漂っている「宇宙背景放射」(cosmic microwave background:CMB)が存在することを予測する。まさに最古の化石であった。

 時代は20年進み、コロンビア大のタウンズ(第83話)の下でメーザーを使った電波天文学を研究していたペンジアス(Arno Allan Penzias、独⇒米、1933年~)は1961年に米ベル研に入り、同僚のウィルソン(Robert Woodrow Wilson、米、1936年~ )と共にマイクロ波アンテナ感度の改良を行っていた。そして1964年、起源のよく分からない雑音を捉える。おそらくこれは近くのマンハッタンから発生する電磁ノイズだろうと考え、雑音の方向依存性を調べるが、どの方向からも同様の強さで雑音が受信され、都心からのノイズでは無い。アンテナを詳しく調べると鳩の糞が附いている、この糞が誘電効果によりノイズを発生させたのだろうと奇麗に掃除したが、ノイズは減らない。どうにもノイズ対策ができず困っていた頃、この話を聞いた研究仲間が、それはノイズではなく宇宙論で予言された「宇宙背景放射」信号かもしれないと示唆を与える。

 ペンジアス達の失敗と思われたマイクロ波アンテナの実験は、思いもよらぬ発見をもたらした。ノイズと思われた信号を詳しく分析すると、宇宙発生時における温度3Kでの黒体放射に合致すること、そして宇宙のあらゆる方向から均一に放射されていることなどが分かり、ビッグバン仮説からガモフによって推論されたCMBを証左することが明らかになったのである。民間企業のマイクロ波アンテナの技術改良が、なんと宇宙論の仮説を証明してしまったのだ。予想もしない快挙であった。この成果に対し1978年にノーベル賞が贈られる(残念ながら当時ガモフは死去していたため、受賞を逃した)。

 ペンジアスもそうだが、ノーベル賞受賞者はその恩師がノーベル賞を取っている場合が多い。彼の場合、恩師はメーザとレーザを発明したタウンズである。さらにタウンズの研究仲間ではショーローも後にノーベル賞を取っている。これは科学革命を起こした人の下で研究をすると、その時代の先端的で重要なテーマをキャッチしやすいことを意味するのだろう。ペンジアスもタウンズのラボに入らなければ、メーザーマイクロ波天文学に接しなかっただろうし、タウンズとコネのあるベル研にも入らなかったに違いない。デイビーに雇われたファラデー、量子論におけるボーアの仲間、そのボーアの下で学び日本に量子論をもたらした仁科、そして彼に指導された湯川、朝永、さらにその弟子たち。天才同士のつながりが深いのは、優れたテーマの鉱脈を見つけやすいからだと考えられる(ニュートンやアインシュタインなどはこの流れには入らない。彼らはスーパー天才であり、一人でも重要なテーマを捉えかつ斬新な解き方で解決してしまう能力を持っている。しかしそれでも間違いを犯す点が面白い。)

 ところで20世紀前半、多くの科学者はホイル同様、普遍で定常な宇宙モデルを信じていた。ところが1929年、ハッブル(Edwin Powell Hubble、米、1889~1953年)の宇宙が膨張している観測結果(銀河の赤方偏移;ハッブルの法則)により膨張宇宙モデルが現れる。これはアインシュタインの一般相対論にも合致し、後のビッグバンモデルにも繋がってゆく。そして1965年のCMB発見とその後の詳細な観測により、ビッグバンは仮説から実証されたモデルに昇格した。さらに、宇宙の軽元素の存在比率(4He/1H ≒0.25、2H/1H ≒10-3、3He/1H ≒10-4、7Li/1H ≒10-9)や、宇宙の銀河分布(宇宙の大規模構造)がやはりビッグバンモデルの予測値と良く合っていることから、現在ではビッグバンが標準的な宇宙モデルと考えられるようになっている。

 しかしビッグバンモデルでは説明しにくい事実もまだいくつか残っている。例えば「バリオンの非対称性」と呼ばれる、宇宙における「物質」と「反物質」の存在比率の問題。現実的には圧倒的に反物質が少ないのだが、ビッグバン初期では同等にあったはずなのである。いつどのように反物質が減少していったかがまだ謎として残っている。次に「ダークマターの存在」宇宙には光や電波では検知できない質量(ダークマター)が9割以上も存在しているはずだ、という観測結果からの推定がなされている。そしてその検出に各国がしのぎを削っているが、まだダークマターの検証はされていない。さらに「ダークエネルギー」という負の圧力を持ち、反発する重力としての効果を及ぼしている仮想的なエネルギーが宇宙全体に7割ほど存在しているという仮説が1990年に現れた。この正体は又、ビッグバンモデルの大きな謎とされている。さて、誰がこれらの謎を解いてゆくだろう。

宿題90: ビッグバンで始まった宇宙は、さてどのような終焉を迎えるのだろうか?

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