宇宙は何歳でしょうか? 私たちの答えはどんどん良くなってきています。

Google は数ミリ秒で、人類の最も深い思索家の多くが長い間理解できなかった事実を提示することができます。宇宙の年齢はほぼ 140 億年です。そして多くの宇宙論者は、その数字にますます自信を深めています。2020 年 12 月、チリのアタカマ宇宙論望遠鏡 (ACT) で作業している研究者の共同作業により、最新の推定値が発表されました。137.7 億年、プラスマイナス数千万年です。彼らの答えは、2009 年から 2013 年にかけて同様の観測を行ったヨーロッパの衛星、プランク ミッションの答えと一致しています。

ACT とプランクの精密な観測は、人類が空を眺め、すべてがどこから来たのか考え続けて 1000 年以上を経て実現しました。寿命が 100 年にも満たない霊長類は、自分たちの惑星、さらには自分たちの惑星を形成する古代の星や原子が存在する遥か昔に起こった出来事を、どういうわけか把握していました。人類がどのようにして宇宙の年齢を解明するに至ったのか、簡単に説明します。

古代：創造の始まり

どの文化にも創造神話がある。例えばバビロニア人は、天と地は殺された神の死骸から切り出されたと信じていた。しかし、存在がいつ始まったのかを具体的に述べた信仰体系はほとんどない（唯一の例外はヒンズー教で、宇宙は43億年ごとに生まれ変わると教えており、これは地球の実際の年齢とそれほどかけ離れていない）。

少なくとも西洋で定着した考えはギリシャの哲学者から来たもので、実際には科学的な後退のようなものでした。紀元前4世紀と3世紀には、プラトン、アリストテレス、その他の哲学者たちが、惑星や恒星は永遠に回転する天球に埋め込まれているという考えに全力を注ぎました。その後の1000年ほどは、宇宙全体に年齢があると予想する人はほとんどいませんでした。

1600年から1900年: 無限の終わり

天文学者ヨハネス・ケプラーは 1610 年に、ギリシャに触発された一般的な宇宙論の大きな欠陥が、ずっと天文愛好家の目の前にあったことに気付きました。多くの人が信じていたように、永遠の宇宙に無数の星が存在するのであれば、なぜそれらの星すべてがまばゆいばかりの光で宇宙を満たさないのでしょうか。暗い夜空は、星がやがて消えていく有限の宇宙を示唆していると、彼は考えました。

夜空と無限の宇宙との衝突は、1826 年にこの現象を広めた天文学者ハインリヒ オルバーにちなんでオルバーのパラドックスとして知られるようになりました。現代の解決法の初期バージョンは、なんと詩人のエドガー アラン ポーによってもたらされました。彼は 1848 年に散文詩「ユリイカ」の中で、宇宙は永遠ではないため、私たちは夜を経験すると推測しています。宇宙には始まりがあり、それ以来、星が空を完全に照らすのに十分な時間が経過していません。

1900年代: 初期および現代の宇宙が見えてくる

しかし、オルバーのパラドックスの解決が理解されるまでには時間がかかった。1917年、アインシュタインは自身の重力理論から、宇宙は時間の経過とともに拡大または縮小する可能性が高いとわかり、宇宙を静止させる（永遠に存続させる）ために、方程式に宇宙定数というごまかしの要素を加えた。

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一方、大型望遠鏡の登場により、天文学者たちは他の銀河をより鮮明に観察できるようになり、彼らが見ているのは遠く離れた「島宇宙」なのか、それとも天の川銀河内の近くの星団なのかという激しい論争が巻き起こった。エドウィン・ハッブルの鋭い観察眼が1920年代後半に初めて銀河間の距離を計測し、この論争に決着をつけた。ハッブルは、銀河が巨大で遠くにあるだけでなく、互いに遠ざかっていることも発見した。

宇宙は膨張しており、ハッブルは膨張速度をメガパーセクあたり毎秒 500 キロメートルと計測しました。この定数は現在、ハッブルの名前が付けられています。宇宙の膨張がわかったことで、天文学者は時間をさかのぼって宇宙が成長し始めた時期を測る強力な新しいツールを手に入れました。1929 年のハッブルの研究は、宇宙の膨張を推定し、宇宙の年齢がおよそ 20 億年であるとしました。

「膨張率は、古いVHSテープのように、宇宙の歴史をどれだけ速く巻き戻せるかを示しています」とデューク大学の宇宙学者ダニエル・スコルニック氏は言う。「巻き戻しのペースが速ければ、映画が短くなることを意味します。」

しかし、遠く離れた銀河までの距離を測定するのは面倒な作業です。1965 年に研究者が宇宙のあらゆる方向からやってくるマイクロ波のかすかなパチパチ音を検出したときに、よりクリーンな方法が生まれました。宇宙学者は、宇宙誕生からわずか数十万年後に放射された光は、空間の膨張によってより長いマイクロ波に引き伸ばされたはずなので、そのような信号が存在するはずだとすでに予測していました。この宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) の特性を測定することで、天文学者は若い宇宙のスナップショットのようなものを撮り、その初期の大きさと内容を推測することができました。CMB は、宇宙には始まりがあったという揺るぎない証拠となりました。

「1965年の[CMB]の究極の発見によって達成された最も重要なことは、初期の宇宙があったという考えを私たち全員に真剣に受け止めさせたことだ」とノーベル賞受賞者のスティーブン・ワインバーグは1977年の著書『最初の3分間』に書いている。

1990年から現在: 計算の改良

CMB により、宇宙論者は宇宙が初期の時点でどれほど大きかったかを把握することができ、それが今日の宇宙の大きさと膨張を計算するのに役立った。スコルニック氏はこのプロセスを、赤ちゃんの写真で子供の腕が 1 フィートの長さに見えることに気づき、それに対応する思春期の子供の身長と成長速度を推定することに例える。この方法により、研究者は宇宙の現在の膨張速度を測定する新しい方法を手に入れた。この速度はハッブルの 1 メガパーセクあたり毎秒 500 キロメートルの約 10 倍遅いことが判明し、宇宙創生の瞬間をさらに過去に遡らせた。1990 年代には、年齢の推定値は 70 億年から 200 億年の範囲であった。

複数のチームが懸命に努力し、宇宙の膨張率に関する宇宙論の最良の推定値を精査した。1993年にハッブル宇宙望遠鏡で銀河を観測した結果、現在のハッブル定数は1メガパーセクあたり毎秒71キロメートルと推定され、宇宙の年齢は90億年から140億年と絞り込まれた。

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その後、2003 年に WMAP 宇宙船が CMB の詳細な地図を記録しました。このデータを基に、宇宙論者は宇宙の年齢を 135 億年から 139 億年と算出しました。約 10 年後、プランク衛星が CMB をさらに詳細に測定し、ハッブル定数は 67.66、年齢は 138 億年と算出しました。ACT による新しい独立した CMB 測定でも基本的に同じ数値が得られ、宇宙論者は自分たちのやっていることが正しいという自信をさらに強めました。

「今や、プランクとACTが一致する答えにたどり着いた」と、フラットアイアン研究所の宇宙学者でACT共同研究メンバーのシモーネ・アイオラ氏は当時のプレスリリースで述べた。「これは、こうした難しい測定が信頼できるという事実を物語っている」

次回: 宇宙論的対立

しかし、初期宇宙と現代宇宙の測定がより正確になるにつれ、両者は衝突し始めている。CMBの初期の像に基づく研究ではハッブル定数がメガパーセクあたり60キロメートル/秒台後半であると示唆されているが、今日の銀河の距離測定（スコルニック氏は宇宙の「自撮り」に例える）では70キロメートル/秒台前半から半ばのより速い膨張率が示されている。スコルニック氏は2019年にそうした調査に参加し、さまざまな銀河の明るさに基づく別の測定でも2021年1月に同様の結論（現代宇宙は急速に膨張している）に達した。

額面通りに受け取ると、これらのチームが達成している速度の速さは、宇宙がプランクとACTの標準的な138億年よりも実際には約10億年若いことを意味する可能性があります。または、この不一致は、現代天文学の現実の描写にはより深い何かが欠けていることを示唆している可能性があります。たとえば、CMBを現在に関連付けるには、宇宙を支配していると思われる、あまり理解されていない暗黒物質と暗黒エネルギーに関する仮定が関係し、ハッブル定数の測定値が一致していないという事実は、宇宙の真の年齢を計算するには、テープを巻き戻す以上のことが必要であることを示している可能性があります。

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もう一つの議論を呼んでいる推定では、宇宙の年齢は 267 億年である可能性があるとされており、これは現在考えられている年齢の 2 倍に相当します。これは、遠方の銀河からの赤方偏移光が、空間の膨張以外の物理的定数によって変化する可能性があるという未確認の考えに基づいています。これを検証する方法の 1 つは、ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡による有限の測定です。

「宇宙の年齢をどうやって導き出しているのか、私にはよく分かりません」とスコルニック氏は言う。「間違っているとは言いませんが、正しいとも言えません。」

このストーリーは更新されました。元々は 2021 年 1 月 13 日に公開されました。