ビッグバンとは何か?なぜ研究するのか?その前に何が起こったのか?どのように終わるのか?

masapoco
投稿日
2023年10月6日 16:18
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およそ138億年前、存在そのものを文字通り創造する、あらゆる存在の中で最大の出来事が起こった。この出来事はビッグバンとして知られており、私たちの小さな青い世界が周回する星を含め、広大な未知の領域に散在する星の数は推定で1024個(1000000000000000000000000個)にものぼる。しかし、ビッグバンが起こったという事を知る以外には、存在史上最大の出来事について私たちがまだ知らない情報も同じくらいあるのだ。

そこでUniverse Todayは、ベイラー大学物理学科教授のGerald Cleaver博士にビッグバンの様々な側面について話を聞いた。ビッグバンとは何か、なぜビッグバンを研究するのか、ビッグバンについてわかってきたこと、ビッグバンの前に何が起こったのか、そして宇宙はどのように終わるのか?では、ビッグバンとは一体何なのか、見ていこう。

「ビッグバンとは、約137.9億年前(最近のパラメーターのベストフィットによれば)、宇宙が10-43秒しか経っていないときに、観測可能な宇宙が突然膨張したことを説明する科学理論です。この膨張は約10-32秒続き、10-43秒から10-36秒のインフレーション前段階と、10-36秒から10-32秒のインフレーション段階の2段階がありました。ビッグバンの開始時、宇宙のエネルギー密度は非常に高く、(10-35メートル)3(プランク体積)あたり1019GeV(プランクエネルギー)のオーダーでした。そして宇宙の温度は約1032ケルビン(プランク温度)でした。インフレーションの段階は、現在の観測可能な宇宙の長さスケールを、少なくともe60~1026倍に拡大したのです」と、Cleaver博士はUniverse Todayに語っている。

基本的に、宇宙は非常に高温で非常に高密度でありながら、ビッグバン後数百万分の1秒以内にクォークが集まって陽子と中性子を形成するというように、非常に急速に膨張し始めた。数分以内に、これらの陽子と中性子も集まって原子核を形成した。電子が原子核の周りを回り始め、最初の原子ができるまでにさらに38万年かかったからである。

これらの原子は主に水素とヘリウムで構成されていたと考えられており、これらは今日に至るまで宇宙で最も豊富な元素である。これらの水素とヘリウムの元素から最初の星が形成されるまでには、さらに1億5000万年から2億年かかった。その結果、これらの星の中で酸素、炭素、鉄が形成され、後にこれらの星の一部が超新星として爆発した後、宇宙全体に飛び散った。このように、ビッグバン後のプロセスはきちんと描かれているが、実際のビッグバンを研究することがなぜそれほど重要なのだろうか?

「ビッグバンについて、残された疑問、特により微細な部分をさらに調べ、解決すればするほど、我々の宇宙がどのようにして誕生したかをよりよく理解できるようになります。願わくば、その知識はいつか完全なレベルに達し、我々の宇宙が多元宇宙と呼ばれる理論的な集合の中の一つであるか否かを人類が正確に判断できるようになるでしょう。もし宇宙論者が、確かに他の宇宙が存在する可能性が高いと確信するようになれば、たとえ局所的な物理法則が異なっていたとしても、それぞれの宇宙が従う包括的な物理法則を、可能であれば突き止めなければならないでしょう」と、Cleaver氏は語る。

ビッグバンの前に何があったのか?ビッグバンの前に何が起こったかについては、いくつかの有力な仮説があり、そのひとつはカオスインフレーション理論として知られているもので、我々の宇宙は別の宇宙から飛び出した壮大な多元宇宙の一部であるというものである。もうひとつの仮説は、私たちの宇宙はブラックホールのもう一方の端であり、私たちはそれをホワイトホールと呼んでいる。これは、ブラックホールに落ちたときに何が起こるかを説明するのに役立つだろう。

Cleaver博士はUnvierse Todayに、ビッグバンの前に何が起こったかについて、さまざまな「前史」理論が存在する一方で、ひも理論として知られるものが関係していることを指摘している。ある予測では、空間が膨張してから再び収縮し、その後大規模な膨張が起こるという「膨大な数の小さなインフレーション前の成長サイクル」があるという。2つ目の予測は、「ブラン(ふすま)」と呼ばれるもので、インフレーションが起こった後、膨張の速度が遅くなり、ダークエネルギーの逆行によってすべてが停止し、「まるで時間が逆戻りしたかのように」逆行し、ビッグクランチが起こり、ビッグバウンスで終わるというものである。

宇宙はビッグバンで始まったかもしれないが、どのように終わるのかという疑問は残る。現在、宇宙の終わり方については無数の仮説がある:ヒートデスまたはビッグフリーズ、ビッグリップ、ビッグクランチ、ビッグバウンスである。ヒートデス/ビッグフリーズのシナリオでは、宇宙は永遠に膨張し続けると予測され、その結果、宇宙全体の熱が均等に分布して使えなくなる。ビッグ・リップ・シナリオでは、宇宙はダーク・エネルギーがますます強くなり、ダーク・マター(暗黒物質)の引力がすべてを一つにまとめられなくなるまで引き裂かれると予測される。ビッグ・クランチ・シナリオでは、その名の通り、宇宙は自ら崩壊し、現存する中で最も巨大なブラックホールになり、すべてが永遠にブラックホールに吸い込まれると予測されている。ビッグ・バウンスでは、宇宙は膨張と収縮を永遠に繰り返すと予測されている。

「一定のダークエネルギーによる(ほぼ)一定の現在の低加速度に基づいて、私は観測可能な宇宙が永遠に膨張すると予想しています。1000億年後の未来には、銀河団は互いに孤立した状態になるでしょう。やがて個々の銀河も孤立していくでしょう。そうなると、Einsteinや20世紀初頭の物理学者たちが想像していた宇宙論、つまり、存在する銀河は天の川銀河だけで、宇宙全体は我々の天の川銀河よりそれほど大きくないという宇宙論に事実上戻ることになる。宇宙論者は、暗黒エネルギーはほとんどの銀河を引き離すほど強くないと計算している。つまり、ここで止まってしまうのです」と、Cleaver氏はUniverse Todayに語る。

今後数年、数十年の間に、科学者たちはビッグバンについてどのような新発見をするのだろうか?時間が経ってみなければわからない!


この記事は、LAURENCE TOGNETTI氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。



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