【科学】宇宙の大きさってどれくらい？

この写真、よ～くみてください。写ってるのはたくさんの銀河です。

（NASA/JPL/STScI Hubble Deep Field Team）

黒い背景に散らばる、かすかな光の点・・・

星のようにみえますが、星じゃないんですよ。

ひとつひとつの点が数千億個の星の集まりからなる 「 銀河 」 です。

遠い遠いかなたに存在する、銀河です。

この写真に、たぶん１０００個近い銀河が写っています。

銀河がまるで星のようにみえてしまう・・・宇宙って大きいなぁ

と思いません？

宇宙の大きさって、いったいどれくらいなんでしょうね。

すごく単純な質問ですが、この質問にしっかり答えるのはなかなか難しいんです。

Googleでいろいろ調べたりすると、宇宙の年齢は１３８億年とか、

しかし「観測可能な宇宙」の大きさ（半径）は４６０億光年である

とかなんとか書いてあります。なんだか矛盾しているような、いないような・・・

そもそも"観測可能な"ってどういうことでしょう？？？

今回は、そんな宇宙の大きさについて考察してみました。

ややこしいのは、宇宙が膨張していること・・・。

1929年、ハッブル（E. Hubble）という人が、宇宙空間はどんどん膨張していることを発見しました。

この現象が、話をとてもややこしくしています。

宇宙の大きさを考えるときに、何よりも先におさえておかなければならない知識は、

宇宙空間は膨張していて、しかも、その膨張の速度が地球から遠ければ遠いほど速くなるということ。

その速度は、地球から約１５０億（１５ビリオン）光年はなれたところでついに光速になります。

それより遠いところは、光速より速い速度で地球から遠ざかっています。

つまり・・・

地球から１５０億光年も離れてしまうと、その天体の光は、もう、いくら待っても永遠に地球に届きません。

ですから、１５０億光年というのは、ある意味、観測の限界をあらわす距離です。

（光の速度が差し引きゼロになるというのはアインシュタインの光速度一定の原則に違反しそうです。たしかに、天体から放たれた光は、空間に対する天体の速度には影響を受けません。しかし、空間そのものの膨張速度には影響をうけることがわかっているんです。なのでアインシュタインの光速度一定の原則には矛盾しません）

しかし、一般にいう「観測可能な宇宙」が意味する宇宙の大きさは、この１５０億光年の壁のことではありません。

とりあえず、宇宙空間はそういう風に膨張している、という宇宙膨張の基本的なイメージがあとで役に立ちますので心にとどめておいてください。

しかも、宇宙が誕生した時からそういう設定である、と考えます。

（ビッグバンのときには宇宙は小さかったというよりは、最初から大きな無の空間があり、宇宙全体が最初から膨張状態にある、というイメージのほうがわかりやすいかもしれません。まぁ、宇宙は最初は小さかった、でもいいのですが・・・）

ちなみに、この瞬間にも宇宙は膨張しているため、毎秒約２００００個もの星が、この１５０億光年の壁の向こうに消えてしまっているそうです。

いずれは、今、地球から見えているすべての天体（銀河）が１５０億光年の壁の向こうに消え、自分たちの銀河系の星以外、夜空に観察できる天体（銀河）はなくなると言われています（およそ、２兆年後の話だそうです。それまで、地球が存続していればの話ですが・・・）

さて、この宇宙膨張の設定をふまえたうえで、宇宙の年齢を考えてみましょう。

今、宇宙が誕生して、およそ１３８億年が経過しているといわれています（最近まで１３７億年といわれていましたが・・・）。

どうして、そんなことがわかるのでしょう？

わかっていることを、非常にわかりやすく言うと

「宇宙の誕生直後、一瞬、宇宙全体が光（電磁波）で満たされた時期がある」

ということだけです。

宇宙全体が光（電磁波）で同時に満たされたのは一瞬で、その後、その光（電磁波）は消え去った

と考えるのがコツです。

（一瞬といっても宇宙スケールの一瞬であって日常生活レベルの一瞬ではないのですが・・・）

そんな大昔の一瞬の光（電磁波）なんて・・・もうすでに宇宙から消えていて、観察できない気がしますよね？

ところが・・・

ここが肝心なところなんですが、

そんな１３８億年前の光（電磁波）が、今でも、観察できるのです。

なぜ・・・？

そんなことがありうるのでしょうか？

理由があります。

その光（電磁波）が地球にとどくまでに、１３８億年もの時間がかかったからです。

１３８億年前、宇宙全体で放たれた光（電磁波）のうち、地球に近かったところから放たれた光（電磁波）は、すでに地球の場所を通り過ぎていて、もう２度と観察できません。

しかし、地球から充分に遠いところで放たれた光（電磁波）は、ちょうど今頃とか、今から後になって地球に届いてくるのです。

宇宙の半径が小さかったら、そんな光（電磁波）はすでに地球を過ぎ去り、まったく観察できなかったことでしょう。

（古い時代に放たれた光（電磁波）であればあるほど、今の地球で観察される可能性があり、その中で最古のものを宇宙最古の光（電磁波）＝宇宙の年齢と考えるわけです。その当時から、それほど宇宙は大きかったんですね。もし宇宙が小さかったら、その時のすべての光（電磁波）はもう地球を通り過ぎていて観察できません）

では、さて。

今、地球で観察されるという、その１３８億年前の光（電磁波）とは、いったい、地球からどのくらい遠いところで発生した光（電磁波）なのでしょうか？

そんなのかんたん？

地球に届くまでに１３８億年かかったわけですから、地球から１３８億光年はなれたところから放たれた光（電磁波）に決まってる・・・

と言いたいところですが、ここが難しいところで、そうではないんです。

実は、

その光（電磁波）は、１３８億年前、地球から、わずか４２００万（４２ミリオン）光年のところから放たれた光（電磁波）なんです。

（わずか４２００万光年・・・といっても光の速度で４２００万年かかる距離です）

想像してみてください。

１３８億年前。

地球からたった４２００万光年のところで放たれた光（電磁波）が、宇宙空間の膨張のせいで、やっと今頃、地球に届いているのです。

宇宙膨張のせいでこんなことになりました。

地球に届くまでに１３８憶年もかかってしまったわけです。

（膨張がなければ４２００万年で地球に届くはずだった光です）

では、１３８億年前、地球から４２００万光年はなれたところをA地点と名づけましょう。

（正確には、A地点は１点ではなく、地球を中心に球状に分布している、と考えられます）

すると・・・

１３８億年前、地球から４２００万光年はなれたA地点より近いところから放たれた光（電磁波）は、すでにもう地球を通り過ぎていていますよね？

この光（電磁波）は、もう２度と観察できません。

一方、A地点より遠いところから放たれた光（電磁波）は、まだ、地球に届いていません。

よね？

ちょうどA地点から放たれた光（電磁波）だけが、今、１３８億年の時を経て地球で観察されています。

ここ、ちょっと誤解されやすいので強調しておきますが、

今、地球に届いている光（電磁波）は、たまたまA地点由来ですが、１３８億年前、光（電磁波）は、宇宙全体で放たれたのです（注１）。

（反対に、１３８億年前、今の地球がある場所からも四方八方に放たれた光（電磁波）があり、それは、もう私たちのまわりにはありません。その光は今、地球から１３８億光年離れたところで検出されているはずです）

ややこしいでしょう？

ちょっと想像しづらいかもしれませんが、こう考えてください。

実際、宇宙でおこったイベントは、

今から１３８億年前に、宇宙全体が同時に、一瞬、光（電磁波）で満たされた・・・

それだけです。

この光（電磁波）の発生は短期間で終了した・・・

その後は、宇宙全体に微弱化した電磁波だけが残った・・・

（電磁波が完全に消え失せた、でもいいです）

という感じです。

（実は、こういう現象を今の地球からの観察の結果、類推しているわけですが）

どうしても、想像が難しいという人は、

宇宙全体にびっしりと設置されている電球を想像してみてください。

その電球すべてが、同時に一瞬、パッと点灯し、消えたとします。

それを、

あるところから、観察すると・・・

宇宙全体で同時に点灯したとしても、

実際には、観察地点に近いところから、電灯が次々と点灯していくようにみえるはずです。

光にはスピードがあるからです。

そして、同時に消灯したとしても、

観察地点に近い電灯から次々と消えていくようにみえるのです。

宇宙が膨張していなくても、そうみえます。

これに宇宙の膨張が加わって話がややこしくなります。

まずは、暗闇。

突然、観察地点の近くの電灯が点灯します。そのとき、遠くの電灯は、観察地点からみると、まだ消えているようにみえます。

そして、観察地点に近い順に、次々と電灯は点灯し、次々と消えていく・・・

ということは、だんだんと宇宙全体に球状に拡散していく（ようにみえる）電灯のあかり、を観察することになります。

ほんとは、同時に光って同時に消えたのに、観察上、そうみえます。

ずいぶん時間がたった今、観察地点の近くにある電灯はすでに消えているのですが、遠くを見ると、後退していく明かりが見えます。

その明かりは、宇宙全体でずいぶん前に一瞬点灯した光なのです。

これが宇宙背景放射の正体です。

周囲の電灯は消え、まわりは真っ暗なのに、遠くの電灯から放たれた光が観察されます。

宇宙は完全な暗闇ではないのです（注２）。

誤解のないように繰り返し強調したいのは、

電灯の点灯する場所がだんだん遠ざかっていくようにみえても、これは、宇宙の膨張とは無関係です。

さて・・・

宇宙全体が、一瞬だけ、光（電磁波）で満たされたのち、５億年程度は、宇宙には光り輝く星はなく、ただ暗く弱い光（電磁波）のみが宇宙に漂っていたらしいです。

難しいのは、

こういう昔の宇宙の姿が、今の地球には、時間的・距離的に重層状態になって観察されているということ。

どういうことかというと、

今地球に届いている光（電磁波）は、

１３８億年前、A地点（地球からおよそ４２００万光年）から短期間はなたれた強い光（電磁波）

＋

１３７億年前、A地点より地球に近いB地点から放たれた光（電磁波）

（１３８億年前にB地点から放たれた 強い光（電磁波）は、もう地球をとおりすぎてしまっています。以下、同様）

＋

１３６億年前、B地点よりさらに地球に近いC地点から放たれた光（電磁波）

＋

１３５億年前、C地点よりさらにさらに地球に近いD地点から放たれた光（電磁波）

＋

１３４億年前、D地点よりさらにさらにさらに地球に近いE地点から放たれた光（電磁波）

＋

１３３億年前、E地点よりさらにさらにさらにさらに地球に近いF地点から放たれた光（電磁波）

＋

１３２億年前、F地点よりさらにさらにさらにさらに地球に近いG地点で形成されたばかりの宇宙最初の天体からの光（電磁波）

（132億年前になって、やっと光り輝く天体が宇宙全体に形成され始めます）

＋

１３１億年前、G地点よりさらにさらにさらにさらにさらに地球に近いH地点の天体からの光（電磁波）

（H地点からの１３２億年前の光は、すでに地球をとおりすぎてしまっています）

＋

１３０億年前、I地点地球よりさらにさらにさらにさらにさらにさらに地球に近いJ地点の天体からの光（電磁波）

（J地点からの１３１億年前の光は、すでに地球をとおりすぎてしまっています）

＋

・

・

・

＋

１億年前に地球の近くの天体から放たれた光（電磁波）・・・

と、

場所も時間も違うところから放たれた光（電磁波）が、今の地球に同時に重なって届いているのです（図１参照）。

１３８億年前、４２００万年より遠いところから放たれた光（電磁波）は、今まだ地球には届いておらず、これから先、未来の地球に届くことになるでしょう。

（すでに届いているとすると１３８億年より前～宇宙誕生前～に放たれた光（電磁波）ということになり、宇宙の年齢を訂正しなければなりません）

１３８億年前、４２００万光年より近いところから放たれた光（電磁波）は、もうすでに地球を通り過ぎていて、２度と観察できません（図２参照）。

少し考えてみれば、今の地球には、

１３８億年前、宇宙全体で放たれた光（電磁波）のうち、

１３８億年前（宇宙誕生０年後）のA地点（当時の地球からの距離＝４２００万光年）から放たれた光（電磁波）

＋

１３７億年前（宇宙誕生１年後）のA地点（当時の地球からの距離＝およそ４億光年）から放たれた光（電磁波）

＋

１３６億年前（宇宙誕生２年後）のA地点（当時の地球からの距離＝およそ８億光年）から放たれた光（電磁波）

＋

１３５億年前（宇宙誕生３年後）のA地点（当時の地球からの距離＝およそ１２億光年）から放たれた光（電磁波）

＋

など、同じA地点からも、違うタイミングで放たれた光（電磁波）が、同時に幾重にもなって今の地球に到達していることがわかります。

すると、今から１億年後には・・・

今から１３８億年前、宇宙全体で放たれた光（電磁波）のうち、A地点より遠いところから放たれた光（電磁波）が届きはじめます。

そのとき、その光は、１３９億年前に宇宙全体に放たれた光（電磁波）として観察されていることになります（そのときまで地球があれば・・・）。

そして、宇宙の年齢は１３９億歳となり、観測可能な宇宙の大きさもいまより大きなサイズで再定義されているはずです（理由は後述）。

今、観察できている、１３８億年前にA地点から放たれた光（電磁波）（今、私たちが観察している宇宙最古の光（電磁波））は、もう、地球を過ぎ去っているはずです。

このように、光（電磁波）の発生源は、まるで宇宙の年齢とともに、足並みをそろえるように遠く遠くへと後退していくはずです。

今から１億年後、A地点からは、宇宙誕生１年後に放たれた光（電磁波）が地球で観察されているはずです。

この光（電磁波）は、現在、１３７億年前（宇宙誕生１年後）のA地点から放たれた光（電磁波）とおなじ光（電磁波）です。

同様に、現在、１３６億年前（宇宙誕生２年後）のA地点から放たれたと考えられている光（電磁波）とおなじ光（電磁波）が、今から１億年後の地球では１３７億年前（宇宙誕生２年後）にA地点から放たれた光（電磁波）として観察されるでしょう。

（ややこしい・・・汗）

同様に、今、１３５億年前（宇宙誕生３年後）のA地点から放たれたと考えられている光（電磁波）と同じ光（電磁波）が、今から１億年後の地球では１３６億年前（宇宙誕生３年後）の光（電磁波）として観察されると思います。

このように１億年後の地球でも、宇宙というのは常に時間的・距離的に異なるものが重なってみえているはずです（図３参照）。

さて、ここまで理解できたならあと一歩です。

A地点は、今、どこにあるのでしょう？

実は、A地点は、宇宙誕生後３０億年ほどで、地球から約１５０億光年先にある壁を通過してしまいました。

A地点は、今この瞬間には、地球からおよそ４６０億光年はなれたところにあります（図５参照）。

つまり、今、この瞬間のA地点の現場の様子を観察することは、絶対に、というか未来永劫できません。

考えても仕方ないことですが、

A地点は宇宙の始まりの時に一瞬光っただけですから、その後の様子は距離にかかわらず、観察することはできません。

ですが、もし仮に、A地点が宇宙誕生後にも継続的に光（電磁波）を放っていたとしたら、A地点が１５０億光年の壁を通過するまで３０億年ほどの間に放った光（電磁波）であれば、これからも継続的に地球に届くはずです。

A地点が１５０億光年の壁を通過する瞬間に放った光（電磁波）が、理論的には無限大億年後に地球に届きます（それまで、地球が存在していればの話ですが・・・）。

A地点が１５０億光年の壁を通過した直後の光（電磁波）は、もう、絶対に地球に届きません。

現在の地球に話をもどします。

１３８億年前にA地点より近いところから放たれた光（電磁波）は、すでに地球を通り過ぎてしまっていますが、もし、１３８年より昔に放たれた光（電磁波）があれば、将来それを観察できる可能性はあります。宇宙誕生より前に放たれた光（電磁波）となってしまい、大発見です（苦笑）。

１３８億年前、A地点より遠いところにあった場所で放たれた光（電磁波）は、今の地球からは、まだ観察できません。

もし、今の段階で、A地点より遠いところからの何らかの光（電磁波）が観察されれば、その光（電磁波）は１３８億年以上かけて地球に届いた光（電磁波）であり、宇宙誕生より前に放たれた光（電磁波）となってしまい、大発見です（苦笑）。

（しかし実際には、A地点より遠いところから、もっと昔に放たれた光（電磁波）を検出しようとしても、A地点からの宇宙マイクロ波が邪魔をしてよくみえないそうです）

しかし、将来的には、A地点より遠いところから放たれた光（電磁波）は観察されるはずであり、そうすれば、今、その場所が存在する場所（今の地球から４６０億光年よりさらに遠いところ）までが「観察可能な宇宙」に再定義されます。

なので観測可能な宇宙の大きさは、これからだんだんおおきくなります。

今のところ、１３８憶年前に放たれた電磁波で、最も遠いものは地球から４２００万光年のところから放たれた光（電磁波）であるので、今のその位置、およそ４６０億光年先が「観測可能な宇宙」と言われているわけです。

宇宙始まりの距離で言えば、観測可能な宇宙の大きさは４２００万光年ともいえるわけです。

意外に小さいですね・・・

冒頭に述べた「観測可能な宇宙」の大きさというのは、こういう案外ややこしい話です。

では、ほんとうの宇宙の大きさは？というと、

「観測可能な宇宙」より大きいはず・・・というのが、まぁ、ふつうの結論でしょう。

しかし、実は、「観測可能な宇宙」より小さい可能性だってあるんです。

どういうことかというと、

ある同一の場所から放たれた光（電磁波）が、地球に到達した後、さらに宇宙を周回して、地球に届いている可能性です。

もしかしたら、地球からみえるある2つの天体が、違う時間の同じ星かもしれない？

そうすると、「観測可能な宇宙」の大きさのほうが、真の宇宙より大きい、ということがおこりえます。

（観察結果からは、今のところ、この可能性を否定できるそうですが・・・）

ここからはちょっと哲学的な話になりますが、

みんな・・・

ふつうに生活していると、光の速さを意識する必要がないので、「今でしょ！」といわれると、「今」があるような気がします。

しかし、そんなふうに「現在」を「一瞬」で切り取ることができるのは、光の速度が、みんなの動作速度に比べてはるかに速いからではないでしょうか。

もし、光のスピードが異様に遅ければ・・・どうなると思います？

みなさんの目に映る景色は、遠いものほど昔の姿になります。

同時刻を刻む時計を町中にたくさん設置してみると、みえる時刻はあなたと時計との距離にしたがってバラバラになります。

結局、時計が示している時間差は、あなたからの距離を表現しているにすぎません。

そういう世界で生活していると、「現在」とか「今」という感覚はなくなり、

時間と空間は区別できないものになるでしょう。

現実の私たちの世界では、光の速さが速すぎるため（私たちの動作が遅すぎるため）、「今」という感覚を切り取ることができる・・・

時間と空間が区別されてしまう、ともいえるでしょう。

しかし、宇宙のスケールになると、そうはいかなくなります。

宇宙のスケールに対して光のスピードは遅すぎます。

なので、時間と距離、空間が融合してしまうわけです。

宇宙の大きさを考えるっていうのは、そのような時間と空間の区別がつかない４次元世界感をとらえるということに似ています。

思ったより難しい話です。

（注１）

この光（電磁波）は、宇宙の全方向から地球に届いています。つまり、A地点は、実際には、地球からみて全方向性にくまなく存在するわけです。ちなみに、その光（電磁波）の性質から、当時のA地点の温度を計算すると、絶対温度約３０００度であったと計算されています。すなわち、１３８億年前、地球から４２００万光年離れたところの温度は、一様に絶対温度約３０００度であった、といえます。また、別の理論からは、宇宙の始まりは宇宙全体が高温な完全黒体（溶鉱炉のようなもの）であったと予想されています。すなわち、地球から４２００万光年離れたところだけが絶対温度約３０００度であった、というより、宇宙全体が絶対温度約３０００度であったと考えられます。宇宙には特殊点は存在しないはずという原則からも、１３８億年前の宇宙は、宇宙全体が絶対温度約３０００度の熱平衡状態にある完全黒体であったというのは受け入れやすい話です。その後、宇宙が１０００倍に膨張した結果、その温度は１０００分の１に赤方偏移し（下がり）、今では１３８億年先の光が絶対温度約2.7度の完全黒体が発する電磁波として観察されています。もし、私たちの眼が、その電磁波を"見る"（たとえば赤いと感じる）ことができるのなら、天空に散在する無数の星々の間に赤い背景がみえるのです。

（注２）

宇宙が膨張していなければ、その光は一定のはずです。いわゆる電球の光（可視光線）が届いているはずです。しかし、宇宙が膨張していると、だんだんと届く光の波長が伸びてしまい、可視光線ではなくなり赤外線～さらに電磁波になってしまいます。こうなると電球の光とは違い目にみえません。同様に、１３８億光年前に宇宙全体で放たれた光は、地球から観察するとすでに電磁波化しており、この電磁波を宇宙マイクロ波とよびます。人間が電磁波をみる目をもっていれば、宇宙の背景はぜんぜん暗くないのです。逆に、もし宇宙が膨張していなければ、地球には１３８億年はなれたところから、１３８億年前に宇宙全体で放たれた明るい光が今でも届いているはずで夜空は明るかったかも入れません。

（注３）

現在、地球で観察されている宇宙マイクロ波は、地球からおよそ４２００万光年はなれたところから発信された電磁波（光）ですが、これから１００万年（以上）の時間がたてば、いつかは４３００万光年先から発信された宇宙マイクロ波をとらえることになります。理論的に。そうやって時間の経過とともにどんどん遠くから発信された宇宙マイクロ波をとらえることになりますが、宇宙は膨張していますので、それにも限りがあり、膨張速度が光速に等しいところ（仮に、宇宙の膨張が最初っから定常的なら、その当時の地球があるべき地点から約１５０億光年先）から発信された宇宙マイクロ波は永遠にとらえることができないでしょう。つまり、いつかは宇宙マイクロ波も観察できなくなります。はい、現実にはありえないスケールで考えた理論的な推論です。

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参考図：縦軸を宇宙誕生からの時間、横軸（というか、緑の矢印の長さ）を地球からの距離とした下記のような光路のダイアグラムを考えると、少しわかりやすくなるような、ならないような・・・。ご参考までに（BLY＝億光年）。

図１　現在、地球に届いている電磁波（光）の経路。時間的にも距離的にもバラバラ。縦軸は地球の時間経過、横軸は１３８億年前に４２００万光年先にあった場所の移動をあらわす。

図２　１３８億年前に宇宙全体で放たれた電磁波（光）の経路。多くは昔の地球に到達してしまっており、今はもう観察できない。逆に、まだ、到達していない電磁波（光）もあるはず（図３）。

図３　未来の地球に届く電磁波（光）の経路。

図４　地球から１５０億光年以上離れると、放たれた電磁波（光）は永遠に地球に届かない。

図５　１３８億年前、４２００万光年先にあった場所が、地球から遠ざかりつつ電磁波（光）を放った場合の光路。１５０億光年以上離れると、放たれた電磁波（光）は永遠に地球に届かなくなる。

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