私たちが見た北銀河のキャップ付近の宇宙の小さな領域では、画像の各ピクセルがマッピングされた銀河を表しています。
SDSS III, data release 8
宇宙について人々が学ぶことの中で、最も驚くべき2つのことがあります。 多くの人は、「バン」と聞いて直感的に爆発を思い浮かべ、四方八方に飛び散る榴散弾をイメージするように、膨張を思い浮かべます。 確かに、宇宙の物質やエネルギーは、高温・高密度の状態で一気に始まり、膨張と冷却を繰り返しながら、様々な構成要素が互いに飛び出していきました。 しかし、だからといって「爆発」の図式が正しいとは限りません。
宇宙の中心が存在しないことや、宇宙背景放射がどこを見ても遠くにあることを不思議に思っています。
トリニティ核実験の爆発の最初の段階は、起爆からわずか16ミリ秒後のものです。 火球の頂点は200メートルの高さです。
Berlyn Brixner
燃焼反応によるもの、核爆発によるもの、容器の過圧による破裂などを問わず、爆発が起こったときには次のようなことが起こります。
- 爆発は常に空間の特定の場所で始まる。
- 爆発は最初、小さくても有限の体積を占める。
- そして爆発は、遭遇する外力と障壁によってのみ制限されながら、あらゆる方向に向かって急速に拡大していく。
爆発が起こると、多くの場合、ある物質は爆発に巻き込まれたり影響を受けたりして、半径方向外側に押し出されます。 最も速く移動した物質は、他の物質よりも速く、遠くに広がり、その結果、密度が低くなります。 エネルギー密度はあらゆる場所で低下しますが、爆発から最も遠い場所で最も速く低下します。
どんどん遠くを見れば、どんどん過去を見ることにもなります。 私たちが過去を見ることができる最も遠い期間は138億年で、これは私たちが推定する宇宙の年齢です。 ビッグバンの考えに至ったのは、この太古の時代への外挿でした。
NASA / STScI / A. Felid
しかし、私が今描いた爆発の絵は、私たちの宇宙とは一致しません。 宇宙は、数百万光年、数十億光年の彼方にあるものと、ここにあるものは同じように見えます。
非常に遠くにある天体は、近くにある天体よりも確かに速いスピードで遠ざかっているように見えますが、遅くて近い天体と同じ年齢であるようにも見えません。 むしろ、遠くの天体の方が若く、進化しておらず、数も多く、大きさも質量も小さく見えます。
天の川(赤点)を含むラニアケア超銀河団には、私たちのローカルグループをはじめ、多くの銀河が存在します。 私たちの場所は、おとめ座銀河団（天の川の近くにある大きな白い集まり）の外側にあります。 暗黒エネルギーによって、このような塊のほとんどがバラバラになり、時間が経つにつれて断片化していくからです。
Tully, R. B., Courtois, H.., Hoffman, Y & Pomarède, D. Nature 513, 71-73 (2014)
宇宙にある何兆個もの銀河の中で、私たちがたまたま宇宙を始めた爆発の中心にいる確率はどれくらいでしょうか？
- 不規則で不均一な密度、
- 星の形成と銀河の成長の開始時間の変化、
- 場所によって途方もなく変化するエネルギー、
- 神秘的な2.7Kの背景光が全方向に広がっています。
私たちがまさに中心にいるように陰謀を企てているのでしょうか？ これを説明するためには多くの工夫が必要で、多くの観測結果はまだ説明がつかないままです。
宇宙での爆発は、一番外側の物質が最も速く離れていきます。 また、空間そのものを伸ばすのではなく、何かに向かって広がっていく必要があります。
ESO
その代わり、私たちの宇宙を支配している重力の法則、つまりアインシュタインの一般相対性理論では、物質とエネルギーに満ちた宇宙は爆発せず、むしろ膨張すると予測されています。 すべての場所に同じ量の物質があり、平均的な密度と温度が同じである宇宙は、膨張するか収縮するかのどちらかでなければなりません。私たちは見かけ上の後退を観察しているので、膨張の解決策が唯一の物理的な解決策となります。
拡大する宇宙は一点に外挿できるという誤解がありますが、それは間違いです。
拡大する宇宙は一点に外挿できるという誤解がありますが、そうではありません！むしろ、一定の性質（物質、放射線、物理法則などで満たされている）を持つ有限の大きさの領域に外挿することができますが、その後は重力理論が示すルールに従って進化しなければなりません。
これは必然的に、どこでも同じような性質を持つ宇宙につながります。
このことから、必然的に、宇宙はどこでも同じような性質を持っているということになります。つまり、宇宙のどのような有限で同じ大きさの領域でも、宇宙と同じ密度、宇宙と同じ温度、同じ数の銀河などが見られるはずです。
ビッグバンは有限の時間前にあらゆる場所で一度に起こったので、私たちの住む宇宙の一角は、存在する宇宙の中で最も古い一角であるように見えます。
ハッブル宇宙望遠鏡のような装置で空の一部分を見るとき、それは単に遠くからの光を見ているのではありません。ハッブル宇宙望遠鏡のような装置で空の領域を見るとき、それは単に遠くの物体からの光を、その光が放出されたときの状態で見るのではなく、その光が旅の途中で経験する、あらゆる物質や宇宙の膨張の影響を受けた状態で見るのです。
NASA, ESA, and Z. Levay, F. Summers (STScI)
存在する遠方の銀河は常に光を発しており、私たちが見ているのは、膨張する宇宙の中で私たちの元に届くまでの旅を終えた後の光である。 10億年、100億年かけてやってきた光の銀河は、10億年、100億年前の姿をしています。 ビッグバンの瞬間までさかのぼると、その頃の宇宙は物質ではなく、放射線が支配的だったことがわかります。
その宇宙が膨張して冷えていくにつれて、中性原子が、すぐに爆発してしまうことなく、ようやく安定して形成されるようになります。
その宇宙が膨張して冷えていく中で、中性の原子がようやく安定して形成されるようになりました。
宇宙の大規模な構造は時間とともに変化します。小さな不完全なものが成長して、最初の星や銀河を形成し、それが合体して現在の大きな銀河を形成します。 遠くに目を向けると、私たちの住む地域が過去にあったのと同じように、より若い宇宙が見えます。
Chris Blake and Sam Moorfield
宇宙には必ずしも中心があるわけではなく、あるはずだというのは私たちの偏った直観にすぎません。
もし本当に中心があるとすれば、それは文字通りどこにでもあって、私たちには知る由もありません。
もし本当に中心があるとしたら、文字通りどこにでもある可能性があり、私たちはそれを知る方法がありません。 宇宙の端が見える必要があります (私たちにはありません)。また、異なる方向が異なるように見える基本的な異方性を観察する必要があります (しかし、私たちは同じ温度と銀河の数を見ています)。そして、最大の宇宙スケールで地域ごとに異なるように見える宇宙を見る必要があります (しかし、代わりに均一であるように見えています)。
シミュレーション(赤)と銀河探査(青/紫)の両方とも、同じように大規模なクラスタリング…パターンを示しています。
Gerard Lemson and the Virgo Consortium
「宇宙はどこから膨張を始めたのか」という質問はとても合理的に聞こえます。 しかし、上記のことに気づけば、それは完全に間違った質問であると気づくでしょう。 “
それは、ビッグバンが空間の特別な場所ではなく、時間の特別な瞬間を指していることが大きな理由です。 遠くのものを見るということは、遠い過去のものを見ているということなのです。 どの方向を見ても同じような大まかな性質を持っているように見えるのもそのためです。
現在の天の川銀河に匹敵する銀河は数多くありますが、天の川銀河のような若い銀河は、本質的に小さくて青いのです。 天の川銀河のような若い銀河は、現在見られる銀河よりも本質的に小さく、青く、混沌としていて、一般的にガスが豊富です。
NASA and ESA
私たちがアクセスできるすべてのものにもかかわらず、また、理論や観測が教えてくれるすべてのものにもかかわらず、私たちにとって未知のままのものがまだ非常に多くあります。
宇宙全体の実際の大きさは分かっていません。私たちの視点から見て、全方向の半径が少なくとも461億光年でなければならないという下限があるだけです。
宇宙の構造がどのような形をしているのか、球のように正のカーブを描いているのか、鞍のように負のカーブを描いているのか、シートや円筒のように完全に平らなのかは分かりません。 また、曲がっているのか、どこまでも続いているのかもわからないのです。 私たちが知っているのは、観察できるものだけです。 しかし、それに反する情報が、次の重要な桁のデータの中にあるかもしれませんし、我々が観測できる宇宙の地平線の向こうにあるかもしれません。
対数スケールで見ると、近くの宇宙には太陽系と天の川銀河があります。 しかし、はるか彼方には、宇宙に存在する他のすべての銀河、大規模な宇宙の網、そして最終的にはビッグバンの直後の瞬間があります。 現在、私たちはこの宇宙の地平線（461億光年）より先を観測することはできませんが、将来的にはさらに多くの宇宙が私たちの前に姿を現すことでしょう。
Wikipedia user Pablo Carlos Budassi
私たちが宇宙の本当の姿、つまり観測できない宇宙全体を知ることができないのは、私たちがアクセスできる部分が有限だからです。 恣意的に強力な機器や検出器を開発したとしても、宇宙について得られる情報量には限りがあります。
宇宙をレーズンパンのように膨らんだものと見るか、それともコインを貼り付けた風船のように膨らんだものと見るかにかかわらず、私たちがアクセスできる宇宙の一部は、実際に存在するもののほんの一部にすぎない可能性が高いことを念頭に置く必要があります。 私たちが観測できるものは、宇宙全体の下限に過ぎないのです。 宇宙は有限であるか無限であるかはわかりませんが、確実に言えることは、宇宙は膨張しており、密度が低くなっていることと、遠くの物体が昔のように見えることです。 宇宙物理学者のケイティ・マック氏は次のように述べています。
あなたの心が広がるように、宇宙も広がっています。 何かに拡大しているわけではなく、あなたの密度が低くなっているだけです。