はるか遠い宇宙の、さらに一番遠いところについて。

月面着陸や火星旅行...｢いつか宇宙に行ってみたい！｣という想いは、誰もが一度は抱いたことがあるのでは？ なかには｢いままで誰にも打ち明けたことがないけれど、じつは宇宙の果てのことも気になっていたんだ...｣なんて人もいるかもしれません。

今回のGiz Asksでは、そもそも“宇宙の端っこ”とはどこなのか、そこには何があるのか、宇宙の果てにたどり着いたらどうなるのか...などなどの素朴な疑問について宇宙論、物理学の専門家に聞いてみました。

キーワードはやはり、ビッグバン。宇宙の果てまで想いを馳せると、気になるのは“観測可能な宇宙”のさらにその先のこと。誰も知らない、見たことがない世界だからこそますます興味深いわけですが、そもそもわたしたちに答えを知る術はあるのか...。宇宙には端っこがあるのかないのか＝宇宙は有限なのか無限なのかという大きなテーマにぶつかります。宇宙のはるかか彼方を考えるうえで、時間との関係性も忘れちゃいけません。

■1. 宇宙の果て＝観測の限界

カリフォルニア工科大学物理学研究教授 。とりわけ量子力学、重力、宇宙論、統計力学、基礎物理の研究に従事。

私たちの知る限り、宇宙に端はありません。観測できる範囲には限りがあるので、そこがわたしたちにとって“宇宙の果て”になるといえます。

光が進むスピードが有限（毎年1光年） であるため、遠くのものを見るときは時間的にも遡ることになります。そこで見られるのは約140億年前、ビッグバンで残った放射線。宇宙マイクロ波背景放射とよばれるもので、わたしたちを全方向から取り巻いています。でもこれが物理的な"端"というわけではありません。

わたしたちに見える宇宙には限界があり、その向こうに何があるのかはわかっていません。宇宙は大きな規模で見るとかなり普遍ですが、もしかすると文字通り永遠に続くのかもしれません。もしくは（3次元バージョンの）球体か円環になっている可能性もあります。もしこれが正しければ、宇宙全体の大きさが有限であることにはなりますが、それでも円のように始点も終点も端もないことになります。

わたしたちが観測できないところで宇宙は普遍的でなく、場所によって状態が大きく異なる可能性もあります。これがいわゆる多元宇宙論です。実際に確認できるわけではないですが、こうした部分にも関心を広げておくことが重要だといえます。

■2. 宇宙に果てはない

プリンストン大学物理・天体物理科学教授。宇宙の起源と進化など宇宙論の研究に従事。

（上に）同じく、宇宙には果てなるものがないと考えられるでしょう。

各方面に向かって無限に広がっているか、おそらく包み込むかたちになっている可能性が考えられます。いずれにしても、端はないことになります。ドーナッツ表面のように、宇宙全体に端がない可能性があります（が、3次元での話です。ドーナッツ表面に関しては2次元なので。）このことはつまり、どんな方向に向けてロケットを飛ばしても良いことになりますし、長いあいだ彷徨ったあげく元の地点に戻ってくることも可能だということになります。

実際に見える宇宙の範囲として、観測可能な宇宙と呼んでいる部分もあります。その意味では、宇宙の始まりから私たちのもとへ光が届くまでの時間がなかった場所が端になります。もしかするとその向こうはわたしたちの身の回りで見られるものと同じ超銀河団で、無数の星や惑星が浮かぶ巨大な銀河であるかもしれません。

■3. 宇宙の果て＝もっとも古い光のなかに見える何か

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校物理・天文学助教授。天体物理学、宇宙論の研究に従事。

宇宙の端をどう定義するかにもよります。光のスピードが有限であるため、宇宙の果てを見つけようとすると時間を遡ることになります。アンドロメダ銀河を見るとき、現在の様子こそわかりませんが、アンドロメダの星が光を放射したのを望遠鏡で観測することができたため、約250万年前に起きていたことはわかります。

わたしたちに見えるもっとも古い光は、もっとも遠いところから届いています。そのため宇宙の果てというのはある意味、わたしたちに届くもっとも古い光のなかに見える何かなのかもしれません。すなわち、ビッグバン後かすかに残存する光、宇宙マイクロ波背景放射です。光子が熱い電離プラズマ内の電子間を飛び交うのをやめて地球に流れはじめたことから最終散乱面とよばれていますが、これこそが宇宙の果てだともいえるでしょう。

いま、宇宙の果てに何があるのか。その答えは、わかりません。何十億年も先の未来まで、光が届くのを待たなくてはならないのです。それに宇宙はますますスピードを上げながら膨張しているので、わたしたちはいまの段階では推測することしかできないのです。広い意味で私たちの宇宙はどこから見ても同じように見えます。おそらくいま観測可能な宇宙の端から宇宙を見ようとすると、わたしたちがここから見ているのとほぼ同じ宇宙の様子が見えるはずです。このため、宇宙の果てから見えるものは単純に、より大きな宇宙、銀河、惑星なのだと推測できます。同じような疑問を抱く生命体だって存在するかもしれませんね。

続きはソースで

https://www.gizmodo.jp/2019/02/whats-at-the-edge-of-the-universe.html

遠方宇宙のクエーサーの観測から、初期宇宙の膨張が標準宇宙モデルの予測と食い違っている可能性が示された。標準理論を超える新たな物理を考える必要があるかもしれない。

【2019年2月4日 ヨーロッパ宇宙機関】

現在の標準宇宙モデルでは、人体や惑星、恒星などを形作っている「普通の物質」（バリオン）は宇宙全体のエネルギーの数パーセントしか占めていないとされている。宇宙の全エネルギーの約4分の1は、重力は及ぼすものの電磁波では観測できない「ダークマター」が担っていて、残り4分の3は宇宙の加速膨張を現在も引き起こしている「ダークエネルギー」という謎の物質が占めているとみられる。

この標準宇宙モデルを構築する基礎となったのは、約138億年前に起こったビックバンの熱放射の名残である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の観測と、より地球に近い（＝時代が新しい）宇宙で得られた観測データだ。地球に近い宇宙の観測で得られる情報には、超新星爆発や銀河団の観測データや、遠方の銀河の像が重力レンズ効果で歪む効果の観測データなどがある。こうした観測結果は、今から約90億年前までの「最近」の宇宙膨張の様子を調べるのに使われる。

今回、伊・フィレンツェ大学のGuido Risalitiさんと、英・ダーラム大学のElisabeta Lussoさんたちの研究チームでは、宇宙膨張の歴史を調べる新たな指標として「クエーサー」を利用することで、近傍宇宙とビッグバン直後の宇宙の間にある観測の「空白域」を埋め、約120億年前までの宇宙膨張の様子を調べた。

クエーサーは、銀河中心にある超大質量ブラックホールが周囲から猛烈な勢いで物質を吸い込み、桁外れの明るさで輝いている天体だ。物質がブラックホールへ落ち込むと、その周囲に降着円盤が形成され、円盤内の物質が摩擦で加熱されて可視光線や紫外線を強く放射する。円盤の周りに存在している光速に近い電子がこの紫外線とぶつかると、紫外線の光子はさらにエネルギーの高いX線となる。

■銀河中心の超大質量ブラックホールの周囲には降着円盤（オレンジ色）ができ、ここから強い紫外線が放射される。さらに、この紫外線が円盤の周囲にある高エネルギーの電子（青）と衝突することでX線も放射される。遠方の様々な距離にあるクエーサーを観測することで、宇宙膨張の歴史を調べることができる（提供：ESA (artist's impression and composition); NASA/ESA/Hubble (background galaxies)）
http://www.astroarts.co.jp/article/assets/2019/02/15680_quasars.jpg

クエーサーが放つ紫外線とX線の明るさの間には、一定の関係があることが以前から知られていた。3年前、RisalitiさんとLussoさんは、この関係を使えば、クエーサーが放つ紫外線の「真の明るさ」がわかるので、見かけの明るさと真の明るさの差からクエーサーまでの距離を見積もることができることに気づいた。多くのクエーサーまでの距離がわかれば、宇宙膨張の歴史を調べることもできる。

このように、真の明るさと見かけの明るさの差から距離を測ることができる天体は「標準光源」と呼ばれている。最もよく知られている例は「Ia型超新星」だ。Ia型超新星の真の明るさはどれも同じと考えられているため、ピンポイントで距離を知ることができる。

■Ia型超新星（水色）とクエーサー（黄色、赤、青）を使った距離の測定結果。縦軸が天体までの距離、横軸が宇宙の年齢（単位：10億年）を表し、右に行くほどビッグバンに近い初期宇宙を表す。ピンクの破線が近傍宇宙の観測だけをもとに標準宇宙モデルで導いた予測で、黒の実線がすべての観測に最もよく合う曲線を示す。クエーサーでしか調べることができないグラフの右の方（初期の宇宙）で、両者に食い違いが見られる（提供：Courtesy of Elisabeta Lusso & Guido Risaliti (2019)）
http://www.astroarts.co.jp/article/assets/2019/02/15681_distance.jpg

続きはソースで

http://www.astroarts.co.jp/article/hl/a/10463_expansion

　特に文系の人にとって、物理や化学は縁遠い世界。一見もっともらしい用語で説明されると、わからないまま信じてしまうこともあるだろう。そんな事例はいくつもある。ナショナル ジオグラフィックの別冊『科学の迷信　世界を惑わせた思い込みの真相』から物理と化学に関する迷信を紹介する。

■一酸化二水素は危険？

　1980年代初頭。ミシガン州デュランドに拠点を置く「デュランド・エクスプレス」紙は、都市の水道に化学物質「一酸化二水素（DHMO）」が入っていると報じた。その物質は「皮膚に激しい水ぶくれを引き起こす蒸気」を生成するという。カリフォルニア大学の学生たちはこれに便乗し、「一酸化二水素禁止連合」を創設。さらに、この運動に刺激を受けたアイダホ州の中学生ネイサン・ゾナーが、DHMO禁止を求める請願書を高校の新入生たちに回覧した。

　研究者は、DHMOを癌性腫瘍や酸性雨の中で検知したという。DHMOは温室効果や熱帯低気圧、土壌侵食を引き起こす。だが、既得権益を持つ人たちがDHMOの規制を妨げてきた。工業溶剤として使われるDHMOなしには、動物実験や原子力発電は不可能だからだ。この観点から、議会が行動を起こしたがらないのも驚くことではない。その結果、人々が知らないうちに一酸化二水素を摂取している──。噂の全容はこのようなものだ。

　だが、よく考えてみてほしい。一酸化二水素とは「H2O」、すなわち「水」のことだ。デュランド・エクスプレスが「一酸化二水素」の記事を報じたのは1983年4月1日、エイプリルフールの嘘だったのだ。

　この嘘は、チェーンメールで広がり、科学教室でも話題になり、時に無知な議員を引っかけ、何も知らない市民団体をぎょっとさせた。2004年には、ある弁護士補佐官がカリフォルニア州の都市アリソ・ビエホの市職員に対して、DHMOがポリスチレン製のカップの主要成分なので禁止するよう、説得しかけたことさえあった。

■塩を入れると早く沸騰する？

　料理をするとき、鍋に入れた水を沸騰させることはよくあるだろう。そこでおばあちゃんの知恵袋のように語られるのが、「塩をひとつまみ入れると早く沸騰する」という豆知識。しかし、家庭で信じられていたこの説は、実は逆効果なのだ。

　そもそも沸騰とは、液体から気体への変化が、温度の上昇により内部からも激しく起こる現象である。水を火にかけると、水の分子が衝突してエネルギーを互いにやり取りし、水粒子が蒸発して表面から脱出する。水の温度が上がるにつれて分子の衝突は次第に激しくなり、やがて水は液体の状態を保てなくなって内部から気化し始める。この現象が起きる温度が「沸点」だ。実は、塩は水の沸点を下げるどころか、逆にわずかに上昇させる。

　液体によって沸点は異なり、水の沸点は100℃。1ガロン（3.7リットル）の水にティースプーン4杯の塩を加えると、沸点は100.4℃に上昇する。つまり、ほんのわずかな違いではあるが、100℃まで熱すればいいはずの水を、塩を加えることによって0.4℃余計に熱しなければいけなくなるのだ。

　だからといって、私たちは塩を加える習慣をやめる必要はない。塩ゆでした野菜はより色鮮やかになり、塩気のあるパスタはよりおいしくなるからだ。

■磁極が一つしかない星がある？

　1931年、理論物理学者ポール・ディラックが、磁極が一つしかない孤立した磁石（S極のないN極のみの磁石、またはその逆）が存在する可能性を初めて指摘した。その後、物理学者たちは、そうしたいわゆる「モノポール」が自然発生した実例がないか調査した。

　1982年、カリフォルニア州スタンフォード大学の研究者は、研究室で単独実験中にモノポールを検出したと発表した。だが、誰もその発見を再現できなかった。月の岩石や古代の鉱物など、自然界に存在する物質についてのすべての実験からは、そのようなものはまだ見つかっていない。

　棒磁石を半分に分割すると、論理的にはそれぞれ一つずつの極を持つように思える。しかし実際には、分割した棒磁石はそれぞれN極とS極を持っている。

続きはソースで

https://images-na.ssl-images-amazon.com/images/I/51OM4BXsnBL._SX343_BO1,204,203,200_.jpg

ナショナルジオグラフィック日本版サイト
https://natgeo.nikkeibp.co.jp/atcl/web/18/112100019/112200003/

イギリス・スコットランドのセント・アンドルーズ大学で、世界でもっとも古い「周期表」が発見されました。

World's oldest periodic table chart found in St Andrews | University of St Andrews news
https://news.st-andrews.ac.uk/archive/worlds-oldest-periodic-table-chart-found-in-st-andrews/
https://i.gzn.jp/img/2019/01/18/oldest-periodic-table-chart/a02_m.jpg

元素を化学的性質の似たものが並ぶように配列した周期表(元素周期表)は、1869年にロシアの科学者ドミトリ・メンデレーエフによって考案されました。メンデレーエフの発見は化学だけでなく物理や生物学でも通用する重要な法則を示すものとして、今日においても活用されています。
https://i.gzn.jp/img/2019/01/18/oldest-periodic-table-chart/a01_m.png

014年にセント・アンドルーズ大学のアラン・アイトキン博士が、化学薬品や実験器具などの備品が保管されていた倉庫から、古い周期表の紙面を発見しました。この周期表が古くに作成されたことは一目でわかりましたが、セント・アンドルーズ大学の研究者たちによって正確な作成時期の特定作業が始まりました。
https://i.gzn.jp/img/2019/01/18/oldest-periodic-table-chart/a02_m.jpg

まず、周期表は1871年にメンデレーエフが発表した2番目の周期表とかなり似ていたものの、同一ではなかったとのこと。そして、周期表にはドイツ語で注釈があり、作成したのは1875年から1888年でオーストリアで研究していた科学者Verlag v. Lenoir博士とForster, Wien博士ということがわかり、作成時期が絞られました。

続きはソースで

https://gigazine.net/news/20190118-oldest-periodic-table-chart/