宇宙は膨張している！その仕組みと未来の姿を解明

導入：止まっていた宇宙が動き出した日 – アインシュタイン最大の過ちとは？

かつて、人類が夜空を見上げる時、そこに広がる宇宙は永遠に変わることのない静的な存在だと信じられていました。古代ギリシャの時代から20世紀の初頭に至るまで、その考えは科学界の常識でした。

かの有名なアインシュタインでさえ、1915年に発表した自らの一般相対性理論の方程式が「宇宙は膨張または収縮する」という動的な姿を示した時、その結果を受け入れられませんでした。彼は静的な宇宙を維持するため、方程式に「宇宙定数」という人工的な項を加え、宇宙が重力で潰れないように調整してしまったのです。

しかし1929年、その常識は一人の天文学者によって覆されます。エドウィン・ハッブルです。

彼は、ウィルソン山天文台の巨大な望遠鏡を使って遠方の銀河を観測し、衝撃的な事実を発見しました。それは、「ほとんどすべての銀河が、私たちから遠ざかっている」ということ。さらに、「地球から遠い銀河ほど、より速いスピードで遠ざかっている」という明確な法則まで見つけ出したのです。

これは、宇宙が静的であるという考えを根底から覆す、動かぬ証拠でした。宇宙は、まるで巨大な風船が膨らむように、全体として広がっていたのです。

この発見を知ったアインシュタインは、自らの理論を信じきれず宇宙定数を導入したことを「人生最大の過ち」だと悔やんだと言われています。皮肉なことに、この「過ち」の産物である宇宙定数は、約70年後、宇宙の未来を解き明かす鍵として、再び脚光を浴びることになるのですが…それはまた、後ほどのお話です。

【図解】宇宙膨張の「なぜ？」に答える – 中心はどこ？何が膨らんでいるの？

前の章では、静的だと信じられていた宇宙が、実は膨張しているという歴史的発見を見ました。しかし、その「膨張」とは一体どのような現象なのでしょうか？

• 「爆発みたいに、中心から外へ広がっているの？」
• 「一体、何が風船みたいに膨らんでいるんだろう？」
• 「もしかして、私たち自身も少しずつ大きくなっているの？」

ご安心ください。これらの疑問は、宇宙論を学ぶ誰もが一度は通る道です。

結論から先にお伝えします。宇宙膨張の正体は「空間そのものが伸びている」現象であり、そして、そこには「特定の中心は存在しない」のです。

「？？？」

そう思われた方、大丈夫です。ここからは、誰でも直感的に理解できるよう、2つの身近な例えと図解を使って、この不思議な宇宙の姿を解き明かしていきましょう。

伸びているのは「空間」そのもの

まず、「何が膨らんでいるのか？」という疑問から。

宇宙が膨張していると聞くと、銀河や星が自ら大きくなっているイメージを持つかもしれませんが、それは違います。膨張しているのは、銀河と銀河の間にある何もない「空間」なのです。

一方で、銀河や太陽系、地球、そして私たちの体のような、重力や電磁気力で固く結びついているモノは、空間が伸びる力に負けないため、一緒に膨張することはありません。

この「空間だけが伸びる」感覚を掴むのに最適なのが、レーズンパンの例えです。パン生地を「宇宙空間」、レーズンを「銀河」だと考えてみてください。

上の図が示すように、パンを焼くと生地全体が均一に膨らみ、どのレーズンから見ても他のレーズンは遠ざかっていきます。特に、もともと遠くにいたレーズンほど、より速いスピードで遠ざかっていくのが見て取れますね。

そして、この遠ざかっていくレーズンから放たれた光が、伸びていくパン生地（空間）によって引き伸ばされてしまう現象こそ、ハッブルが観測した「赤方偏移（せきほうへんい）」の正体なのです。光の波長が引き伸ばされると、その光は本来の色より赤く見えるため、このように呼ばれています。

宇宙に「中心」はない

次に、「中心はどこか？」という最大の謎に迫ります。

この「中心がない膨張」を理解する最良の方法は、風船を使った思考実験です。以下の図をご覧ください。

この図が示すように、風船を膨らませると、その「表面上」には中心と呼べる点はありません。どの点（銀河）の視点に立っても、自分以外のすべての点が遠ざかっていくように見えます。これが、宇宙に特別な中心点がないことのモデルです。

この風船の例えは、「宇宙は何に向かって膨張しているの？」という疑問にも答えてくれます。風船の表面は、何か特定の方向に向かって膨らんでいるわけではなく、表面そのものが伸びています。宇宙も同様に、「外側」という概念はなく、宇宙そのものが広がっているのです。

ブレーキか、アクセルか？宇宙の運命を握る「ダークエネルギー」の正体

前の章では、私たちの宇宙空間そのものが伸びているという驚きの仕組みを見ました。では、その膨張のペースは一体どうなっているのでしょうか？

かつて、ほとんどの科学者がこう考えていました。「宇宙に存在するすべての物質には重力がある。互いに引き合う重力は、膨張の勢いを弱めるブレーキのように働くはずだ。つまり、宇宙の膨張は時間と共に減速しているに違いない」と。

しかし、1998年。その予想は、またしても覆されることになります。

2つの国際研究チームが、宇宙の距離を正確に測る「標準光源」として知られる「Ia型超新星」という特殊な星の爆発を宇宙の彼方で観測し、その明るさから地球との距離を精密に測定しました。

観測の結果は、衝撃的でした。遠方の超新星は、予想されていたよりも暗く見えたのです。

これは、超新星が「もし宇宙が減速膨張しているならば、いるはずの距離」よりも、さらに遠くにあることを意味していました。つまり、宇宙の膨張は減速するどころか、およそ70億年前ごろから加速していることが判明したのです。この歴史的発見により、ソール・パールマッター、ブライアン・シュミット、アダム・リースの3氏は2011年にノーベル物理学賞を受賞しました。

宇宙の膨張にブレーキをかけるどころか、むしろアクセルを踏み込んで加速させている未知の存在。科学者たちは、この謎のエネルギーを「ダークエネルギー」と名付けました。

その正体は、現代の宇宙論における最大の謎の一つです。空間そのものが持つエネルギーであるという説が有力ですが、それが何なのか、なぜ存在するのかは全く分かっていません。

しかし、その存在感は絶大です。現在の宇宙の全エネルギーのうち、私たちが知る物質はわずか5%、正体不明の暗黒物質（ダークマター）が27%、そして残りの実に68%を、このダークエネルギーが占めていると考えられています。

アインシュタインが「最大の過ち」として葬り去った「宇宙定数」。それは奇しくも、空間を押し広げる斥力として働くダークエネルギーの性質と一致していました。彼の過ちは、1世紀近い時を経て、宇宙の真の姿を予言していたのかもしれません。

宇宙の終焉シナリオ：ビッグクランチ、ビッグフリーズ、それとも…？

宇宙の膨張が謎の力「ダークエネルギー」によって加速していることが分かりました。では、加速を続けるこの宇宙は、一体どのような運命をたどるのでしょうか？

ダークエネルギーの性質によって、未来の姿は大きく変わってきます。現在、主に3つの終焉シナリオが考えられています。

シナリオ1：ビッグクランチ (Big Crunch)

もし、将来的にダークエネルギーの力が弱まったり、宇宙全体の物質の重力が打ち勝ったりした場合に起こるシナリオです。加速していた膨張はやがて止まり、今度は収縮に転じます。すべての銀河が互いに近づき、超高温・超高密度の火の玉となって、宇宙は始まった時と同じ「点」へと潰れて終焉を迎えます。

シナリオ2：ビッグフリーズ / 熱的死 (Big Freeze / Heat Death)

現在の観測結果から、最も有力視されているシナリオです。ダークエネルギーの力が変わらない、あるいは優勢なまま、宇宙は永遠に膨張を続けます。すると、銀河同士はどんどん離れていき、やがて他の銀河の光さえ届かない、孤独な世界になります。星を作る材料も尽き、宇宙に浮かぶ星々はすべて燃え尽きてしまいます。最終的に、宇宙は絶対零度に限りなく近い、極寒と暗黒の空間となり、永遠の静寂に包まれます。

シナリオ3：ビッグリップ (Big Rip)

最も劇的な終焉です。もしダークエネルギーの力が時間と共に強化され続ける「ファントムエネルギー」と呼ばれる性質を持っていた場合に起こります。その場合、膨張の加速は暴走し、凄まじい力で空間を引き裂き始めます。まず銀河団が、次に銀河が引き裂かれ、やがては太陽系、地球、そして私たち自身を形作る原子さえもバラバラに引き裂かれてしまうという、壮絶な最後です。

最新の研究では、ダークエネルギーの力が弱まっている可能性も示唆されており、未来の予測はまだ確定していません。私たちの宇宙の運命は、ダークエネルギーの正体が解明される日に明らかになるでしょう。

まとめ：膨張する宇宙で、私たちはどこへ向かうのか

• 静的だと信じられていた宇宙が、ハッブルの観測によって膨張していることが発見されたこと。
• その膨張は「空間そのもの」が伸びる現象であり、特定の中心は存在しないこと。
• さらに、宇宙の膨張はダークエネルギーによって「加速」しているという驚愕の事実。
• そして、その未来には「ビッグフリーズ」をはじめとするいくつかの終焉シナリオがあること。

私たちが立つこの場所は、決して静的で永遠の舞台ではありません。138億年前に宇宙の”産声”から誕生し、今この瞬間も広がり続けている、ダイナミックで変化する宇宙の一部なのです。

夜空を見上げた時、星々の輝きが、何十億年もかけて引き伸ばされた空間を旅してきた光だと思うと、宇宙の壮大さをより一層感じられるのではないでしょうか。

宇宙論と天体物理学の探求は、これからも続きます。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などの新たな瞳は、ダークエネルギーの正体や宇宙の真の運命について、私たちに新たな答えを見せてくれるはずです。その答えがどのようなものであれ、私たちの宇宙観を根底から変えてしまうような、知的興奮に満ちていることは間違いないでしょう。