宇宙
テンプレート:Redirect 宇宙（うちゅう）とは、以下のように定義される。
- あらゆる存在物を包容する無限の空間と時間の広がり[1]。あらゆる物事（森羅万象）を含む全ての存在。
- コスモス。哲学や宗教など、何らかの観点から見て、秩序をもつ完結した世界体系。
- 天文学的にみた宇宙。この意味では、「観測可能な宇宙」を指すこともあり、「観測可能な空間」の外側に広がる3次元空間的に繋がった広大な宇宙全体を指すこともある。
- 上記のように3次元的につながった空間だけではなく、物理的につながった平行宇宙をも含めた物理空間。複合的宇宙もしくは多元的宇宙という意味で、マルチユニバースもしくはマルチバースと呼ばれる。単一宇宙と区別して複合宇宙全体を指す場合には特にオムニバースともいう。
- 宇宙空間。地球の地上約100km以上、上空の空間を指す便宜的な定義[注釈 1]。
本項では主に、3. の天文学的・物理学的に見た宇宙について解説する。
目次
意味
「宇宙」という言葉の確定した起源や意味は不明だが、次のような説がある。
- 「宇」は「天地四方上下」（つまり上下前後左右、三次元空間全体）「宙」は「往古来今」（つまり過去・現在・未来、時間全体）を意味し、「宇宙」で時空（時間と空間）の全体を意味する（漢代の書物・「淮南子斉俗訓」）。
- 「宇」は「天」、「宙」は「地」を意味し、「宇宙」で「天地」のことを表す。
それぞれの観点から見た場合の「宇宙」の定義には、以下のようなものがある。
哲学的・宗教的観点から見た場合、宇宙全体の一部でありながら全体と類似したものを「小宇宙」と呼ぶのに対して、宇宙全体のことを「大宇宙」と呼ぶ。
天文学的観点から見た場合、「宇宙」はすべての天体・空間を含む領域をいう。銀河のことを「小宇宙」と呼ぶのに対して「大宇宙」ともいう。
一説には観測できる領域は宇宙の地平線の内側に限定されるが、大宇宙はそれよりはるかに大きいと考えられている。
物理学的観点から見た場合、「宇宙」は物質・エネルギーを含む時空連続体のまとまりである。
現代物理学における「宇宙」は、物理学的な「世界」全体ではなく、生成・膨張・収縮・消滅する物理系の一つである。理論的には無数の宇宙が生成・消滅を繰り返しているとも考えられている。
「地球の大気圏外の空間」という意味では、国際航空連盟 (FAI) の規定によると高度 100 km 以上のことを指す。アメリカ軍では高度50ノーチカルマイル (92.6 km) 以上の高空を「宇宙」と定めている。
宇宙論
テンプレート:Main 宇宙について説明するにあたり、まず人類がどのように宇宙の理解を深めてきたか、おおまかな流れを解説する。
古代から現代にいたるまで世界・宇宙のことは語られて続けている。宇宙に関する説・研究などは宇宙論と呼ばれている。 古代インドのヴェーダでは無からの発生、原初の原人の犠牲による創造、苦行の熱からの創造、といった宇宙生成論があった。古代ギリシャではヘシオドスの『神統記』に宇宙の根源のカオスがあったとする記述があったが、ピタゴラス学派は宇宙をコスモスと見なし、天文現象の背後にひそむ数的な秩序を説明することを追究した。秩序の説明の追究は、やがてエウドクソスによる、地球を27の層からなる天球が囲んでいる、とする説へとつながり、それはまたアリストテレスへの説へと継承された。2世紀ころのクラウディオス・プトレマイオスは『アルマゲスト』において、天球上における天体の動き（軌道）の数学的な分析を解説した。ヨーロッパ中世においてもアリストテレスの説に基づいて宇宙は説明された。天球を用いた天体の説明は、その精緻化とともに、そこにおける天球の数が増えていった。ニコラウス・コペルニクスは従来の地球を中心とする説（地球中心説）に対して、太陽中心説を唱えた。アイザック・ニュートンは『自然哲学の数学的諸原理』の第3巻「世界の体系について」において、宇宙の数学的なしくみを説明し、地球上の物体も太陽のまわりをまわる惑星も（それまで知られなかった）万有引力というものを導入すれば数学的原理を用いて統一的に説明できる、ということを示してみせた（こうした理論体系を構築した背景には神学的な意図があったとも指摘されている）。ニュートンが同著でユークリッド幾何学を用いつつ絶対空間・絶対時間という概念を導入したため、その後西欧では多くの人々が宇宙を無限に均一に広がる空間だと見なすようになった。しかも静的で安定的なものだと考えていた。20世紀初頭でも科学者も含めてほとんどの人は宇宙は静的だと見なしていた。20世紀になりアルベルト・アインシュタインにより宇宙の不安定なモデルが提示され、1927年ベルギーの司祭ジョルジュ・ルメートルが「宇宙は“原始的原子”の“爆発”から始まった」とする説を提唱し、この説が後に「ビッグバン」と呼ばれるようになり、その説は最初は科学者などからも反発されたものの、やがて徐々に受け入れられるようになり、今日では多くの科学者が支持する「標準的宇宙論モデル」を構成する要素になっている。
おおむねこうして形成された現代の宇宙論であるが、今日でも日々新たな発見はなされており、今後も説明の枠組み、様々な推定値等々が改定されてゆく可能性はある、とされている。よって宇宙に関する説は、必ずしも確定的ではなく、異論も多数あり、現段階で支持者の多い説が将来、事実ではなかったと判明する可能性もあるが、便宜上、現段階で大多数の科学者に支持されている説明を主として、以下の説明を行う。
現代宇宙論
宇宙の大きさ
テンプレート:External media 宇宙の大きさについては、まだ分かっていないことが多い。宇宙の大きさを考える場合、地球から理論上観測可能な領域（観測可能な宇宙）と、それを超える領域全体のどちらを考えるかに注意する必要がある。通常、宇宙と言えば前者を指すことが多く、「宇宙の果て」と言えば前者の観測可能な限界ライン（宇宙の地平線）のことを指す。前者の大きさ、すなわち人類に分かっている範囲だけに限った場合、半径約450億光年の球状の範囲である。この大きさは赤方偏移から計算された理論上の値であり直接の観測によって正確に分かっているわけではない。宇宙の大きさをそこに含まれるものとの比較によって感じてもらうために挙げると、典型的な銀河の直径でもわずか3万光年にすぎない。隣どうしの銀河の間の典型的な距離はわずか300万光年にすぎない[3]。例えば、我々人類が属している天の川銀河はざっと10万光年の直径であり[4]、我々の銀河に最も近い銀河のアンドロメダ銀河はおよそ250万光年離れている[5]。観測可能な宇宙の範囲内だけでもおそらく1000億個（1011個）の銀河が存在している[6] 。
《地球上から見ることができる宇宙の大きさ》とは、我々人間が物理的に観測可能な宇宙の時空の最大範囲を指す表現である。宇宙は膨張し続けているため、宇宙の大きさを表現するにはいくつかの単位がある。（テンプレート:仮リンクも参照のこと） 「光を含む電磁波により人類が地球から観測可能な宇宙の果て」と言うと、我々が観測できる光のなかでも、最も古い時代に光が放たれた空間のことを指している。この空間から光が放たれたとき、つまり約138億年前（宇宙の晴れ上がり直後）、この空間（=観測可能な宇宙の果て）は地球がある位置から（地球を中心とする全方向に宇宙論的固有距離において）約4100万光年離れたところにあった。そして当時この空間は、地球の位置から、光の約60倍の速度[注釈 2]で遠ざかっていた、とされる。この空間までの現在の距離であるテンプレート:仮リンクは、約450億光年[注釈 3]と推定されている。[7]宇宙の晴れ上がりの直後から約138億年の間に、宇宙は約1090倍程度に膨張したと考えられている。この空間は現在、光速の約3.5倍の速度で地球から遠ざかっており[注釈 4]、かつ宇宙が生まれてから現在に至るまで（その膨張速度は）常に超光速を保っている。つまり現在我々が電磁波によって観測できる天体の中には、その天体が生まれてから現在に至るまで常に超光速の後退速度となるものが存在する[8]。
「天体から放たれた光が地球にたどり着くまでの時間に光速をかけたもの」はテンプレート:仮リンクと呼ばれている[注釈 5]。これは光が地球に届くまでの間に、光の旅した道のりを表す。光行距離では、電磁波により観測される宇宙[注釈 6]の果てから地球までの光の旅した道のりは約138億光年と推定されている。これは光速に宇宙の年齢をかけたものだが、この値は先に述べた2つの距離（450億光年、4100万光年）と値が異なっている。なぜならば、光が地球に届く間に宇宙が膨張し、そのため光の道のりが延び、また光を放った空間が遠ざかるからである。つまり光行距離はある時刻における空間上の2点間の距離を指し示すものではない。天文学では光行距離を天体までの距離とみなすことが多いが、それは現在の天体までの距離や、天体が光を放ったときの天体までの距離を示すものではない。それはあくまで、我々に届く光が旅した道のりである。
まとめると、現在我々が観測することができる最も古い時代に放たれた光は、約138億年前に約4100万光年離れた空間から放たれた光である。そしてその（光源がある）空間は、現在450億光年かなたにあり、光は138億年かけて138億光年の道のりを旅してきた、ということである。わずか4100万光年の距離を光が進むのに138億年もの時間を費やしたのは宇宙の膨張が地球への接近を阻んだためである（これは、流れの速い川を上流へ向かう船がなかなか前に進めないことと似ている。宇宙空間の膨張は一般相対性理論より導かれる。よって電磁波の媒質である空間の膨張により地球を基点としたときの、地球から離れた場所にある光の速度が変化しても特殊相対性理論における「光速度不変の法則」とは矛盾しない）。
我々の観測可能な領域を超える宇宙は、共動距離的な意味の場合、インフレーション理論に基づき、より広大であろうと予想されているが、いまだその大きさが有限なのか無限なのかすらわかっていないテンプレート:要出典。宇宙の大きさは、誕生から現在までの膨張速度にもよるが、レオナルド・サスキンドはインフレーション直後の宇宙の大きさは有限ながらも、<math>10^{10^{10^{122}}}</math>光年という非常に大きな値を解の1つに得ている。宇宙の大きさが有限の場合、空間は閉じており、直進すれば宇宙を1周することになる。無限であるとすれば永久に元の場所に戻ることはないが、確率的には十分遠方に至れば地球周辺と原子配置が同一の領域が存在すると言える。この領域に到達した時点で実質的に宇宙を周回したことと同じ効果があり、無限宇宙は矛盾する。
宇宙の年齢
宇宙の年齢は、NASAの宇宙探査機WMAPによる宇宙マイクロ波背景放射の観測値を根拠に計算したものによると、約137億歳（正確には、13.772 ± 0.059 Gyr）と推定されている[9] 。この値は、他の放射年代測定を根拠に計算された110–200億歳[10]や130–150億歳[11]とする大雑把な推定値とも合致している（矛盾していない）。
2013年3月21日、欧州宇宙機関(ESA)は「宇宙の誕生時期がこれまでの通説より1億年古い、約138億年前（正確には、13.798 ± 0.037 Gyr）である[12]」と発表した。ESAの人工衛星プランクが、これまでで最高の精度で宇宙マイクロ波背景放射を観測し、そのデータから作成した初期の宇宙の温度分布をもとに結果を算出した結果である。
宇宙の成分
宇宙は何でできているか、またその占める割合については、以下のように考えられている[13]。
この値は、宇宙マイクロ波背景放射を観測する宇宙探査機WMAPや人工衛星プランクの観測によって、2003年以降精度が高められてきた。
宇宙にある星や銀河、銀河間ガスは原子でできているが、宇宙にあるすべての原子をかき集めても全エネルギーの4.9%程度にしかならない。残りの95%は、原子以外のものと考えられていて、そのうちの一つが暗黒物質、もう一つがダークエネルギーである。宇宙の大部分を占めるとされる暗黒物質とダークエネルギーは、どちらも存在は予言されているものの、正体はよく分かっていない。
また、宇宙にある元素は、水素原子が93.3%を、ヘリウム原子が6.49%を占める。[14]
宇宙の膨張
現在、宇宙は膨張をしている、と見なされている。だが、20世紀初頭、人々は宇宙は静的で定常であると見なしていた。
1915年にアルベルト・アインシュタインが一般相対性理論を発表し、そこにはエネルギーと時空の曲率の間の関係を記述する重力場方程式（アインシュタイン方程式）があった。これを受けて、「宇宙は一様・等方である」とする宇宙原理を満たすようなアインシュタイン方程式の解が、アインシュタイン自身やウィレム・ド・ジッター、アレクサンドル・フリードマン、ジョルジュ・ルメートルらによって導かれたが、これらの解はいずれも、時間とともに宇宙が膨張または収縮することを示していた。
当初、アインシュタインは宇宙は定常であると考えていたため、自分が見つけた解に定数（宇宙定数）を加えることで宇宙が定常になるように式に手直しを加えた。だが後にこの考え方を撤回した。
1929年にエドウィン・ハッブルが遠方の銀河の後退速度を観測し、距離が遠い銀河ほど大きな速度で地球から遠ざかっていることを発見した（ハッブルの法則）。つまり、ハッブルによって実際に宇宙の膨張が観測され、それにより《膨張する宇宙》という概念が定着したのである。
膨張の中心
無数の銀河がほぼ一様に分布していて、その距離に比例した速度で遠ざかっているように見えるが、これはわれわれ太陽系が宇宙の中心だからではなく、たとえいずれの銀河から見たとしても、これと同様に見える、という。それは、すべての天体を含む宇宙全体が膨張しているからである、と考えられている（膨張宇宙論）。「宇宙原理を採用すれば、宇宙には果てがない」と言う。よってこれを信じれば、宇宙膨張の中心は存在しない。銀河の後退速度が光速に等しくなる距離は、宇宙論的固有距離において地球から約150億光年のところとなる。宇宙年齢に光速をかけた距離とこの距離が近似するのは偶然である。ここまでの距離はハッブル距離、あるいはハッブル半径と呼ばれるが、これは宇宙の地平面（宇宙の事象の地平面、あるいは粒子的地平面）ではない。光速を超えて遠ざかる天体は赤方偏移Z=1.6程度の天体と考えられるが、この値を超える天体はすでに1000個程度観測されている。
宇宙の誕生
現在支持者が最も多いビッグバン理論（ビッグバン仮説）では、宇宙の始まりはビッグバンと呼ばれる大爆発であったとされている。
ハッブルの法則によると、地球から遠ざかる天体の速さは地球からの距離に比例している。そのため、逆に時間を遡れば、過去のある時点ではすべての天体は1点に集まっていた、つまり宇宙全体が非常に小さく高温・高密度の状態にあった、と推定される。
このような初期宇宙のモデルは「ビッグバン・モデル」と呼ばれ、1940年代にジョージ・ガモフによって提唱された。
その後、1965年にアーノ・ペンジアスとロバート・W・ウィルソンによって、宇宙のあらゆる方角から絶対温度3度の黒体放射に相当するマイクロ波が放射されていることが発見された（宇宙背景放射）。これは、宇宙初期の高温な時代に放たれた熱放射の名残であると考えられ、ビッグバン・モデルの正しさを裏付ける証拠であるとされている。
しかしその後、宇宙の地平線問題や平坦性問題といった、初期の単純なビッグバン理論では説明できない問題が出てきたため、これらを解決する理論として1980年代にインフレーション理論が提唱され、ビッグバン以前に急激な膨張（インフレーション）が起こった、とされるようになった[15]。
宇宙の未来
膨張する宇宙がこの先どのような運命をたどるかは、アインシュタイン方程式の解である宇宙モデルによって異なる。
一般に、一様等方という宇宙原理を満たすような宇宙の形には、空間の曲率が0の平坦な宇宙、曲率が正の閉じた宇宙、曲率が負の開いた宇宙の3通りが可能である。
平坦な宇宙か開いた宇宙であれば宇宙は永遠に膨張を続ける。閉じた宇宙であればある時点で膨張が収縮に転じ、やがて大きさ0につぶれる（ビッグクランチ）。
2005年時点での最新の観測結果によれば、宇宙は平坦な時空であり、このまま引き続き広がり続け、止まることはないと考えられている。
宇宙の年齢・大きさの項目とも関連するが、平坦な宇宙や開いた宇宙の体積は無限大であり、このような宇宙では宇宙誕生当初から体積は無限大である。これは、宇宙が素粒子よりも小さな大きさから膨張を始めたというビッグバン宇宙論やインフレーション宇宙論と相容れない点である。無限から無限への膨張は矛盾しないが有限から無限への膨張には少なくとも1度は無限大の膨張速度が必要でありインフレーション宇宙論においても説明できない。一方で「誕生直後の宇宙は極小」とは、現在の「観測可能な宇宙」が極小、との見解もある[16]。この場合、観測可能な宇宙が「プランプ長」の時代（プランク時代)においても既に宇宙区間全体が極大･もしくは無限大であった可能性がある。ただし「開いた宇宙」は現在有限（で閉じた）宇宙だが永久に膨張を続けるという意味で時空的に無限という意味合いで使われることもある。この場合は膨張速度無限大の問題は生じない。
宇宙が平坦であり永遠に膨張を続けるということは、最終的に宇宙は絶対零度に向かって永遠に冷却し続けることを意味する（現在は 3 K、約 −270 テンプレート:℃ だといわれている）。宇宙の終末に関するより詳細な議論については、宇宙の終焉を参照。
宇宙の歴史
宇宙の階層構造
250万光年の距離
地球は惑星のひとつであり、いくつかの惑星が太陽の周りを回っている。太陽とその周りを回る惑星、その周りを回る衛星、そして準惑星、小惑星や彗星が太陽系を構成している。
太陽のように自ら光っている星を恒星という。恒星が集まって星団を形成し、恒星や星団が集まって銀河を形成している。銀河に含まれる恒星の数は、小さい銀河で1000万程度、巨大な銀河では100兆個に達するものもあると見られている。
銀河は単独で存在することもあるし、集団で存在することもある。銀河の集団は、銀河群、銀河団と呼ばれ、銀河団や超銀河団の分布が網の目状の宇宙の大規模構造を形成している。網の目の間の空間には銀河がほとんど存在せず、超空洞（ボイド）と呼ばれている。
我々の住む銀河は、銀河系あるいは天の川銀河と呼ばれ、2000億～4000億個の恒星が存在している。天の川銀河は直径10万光年ほどの大きさで、地球から見ると文字通り天の川となって見える。星座を形づくるような明るい星は地球の近傍にある星であり、ほとんどは数光年から千数百光年ほどの距離にある。
天の川銀河の所属する銀河群は局部銀河群と呼ばれ、局部銀河群はおとめ座超銀河団の一員である。また、おとめ座超銀河団は、うお座・くじら座超銀河団Complexに含まれる。
地球から観測可能な範囲（光が届く範囲）には、少なくとも1700億個の銀河が存在すると考えられている。
メガパーセク
天文的な距離を表すのには光年がよく用いられるが、銀河団間の距離や宇宙の構造を取り扱う場合にはメガパーセク (Mpc) が使われることがある。1メガパーセクは326万光年。
- 共動距離（宇宙膨張を考慮した最大観測可能距離）：14300 Mpc
- 見かけ上の最大観測可能距離：4200 Mpc
- 各クエーサーまでの距離：240–5500 Mpc
- シャプレー超銀河団までの距離：200 Mpc
- かみのけ座銀河団までの距離：90 Mpc
- ケンタウルス座銀河団までの距離：48 Mpc
- 超空洞ボイドの直径：11–150 Mpc
- おとめ座銀河団までの平均距離：20 Mpc
- アンドロメダ銀河までの距離：0.7 Mpc
- 銀河系の直径：0.03 Mpc
平行宇宙
テンプレート:Main 我々の住む宇宙となんらかの係わり合いがあるような平行宇宙、もしくはその存在が確かめられそうな平行宇宙は、十分に議論の対象となる。理論物理学の世界では、エヴェレットの多世界解釈に代表されるような多元宇宙論が、いくつか知られている。 テンプレート:節stub
人類の宇宙観
ファイル:Cellarius ptolemaic system.jpg プトレマイオスの説にもとづいて作られた宇宙モデル ファイル:Astrolabium.jpg 1208年のアラビアのアストロラーベ |
以下の各項目を参照。
宇宙の観測・開発
脚注
注釈
出典
関連項目
テンプレート:Sister テンプレート:Commons&cat
外部リンク
テンプレート:地球の位置- ↑ 『大辞泉』う‐ちゅう〔‐チウ〕【宇宙】。
- ↑ テンプレート:Cite press
- ↑ Rindler (1977), p.196.
- ↑ テンプレート:Cite web
- ↑ テンプレート:Cite journal
テンプレート:Cite journal - ↑ テンプレート:Cite web
- ↑ 「宇宙図の見方」（国立天文台）
- ↑ 「宇宙図の見方」/光速を超えて遠ざかる星々（国立天文台）
- ↑ テンプレート:Cite web
- ↑ テンプレート:Cite web
- ↑ テンプレート:Cite web
テンプレート:Cite journal - ↑ テンプレート:Cite web
- ↑ テンプレート:Cite web
- ↑ 「徹底図解 宇宙のしくみ」、新星出版社、2006年、p39
- ↑ 「宇宙はどのように生まれたのか？」（国立天文台）
- ↑ 雑誌ニュートン 2013年4月号
引用エラー: 「注釈」という名前のグループの <ref> タグがありますが、対応する <references group="注釈"/> タグが見つからない、または閉じる </ref> タグがありません
![[1]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/Hubble_ultra_deep_field.jpg){kind=link}
