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原点。 CERN:アイデア。 ビッグバン|エクスプロラトリアム

History of Universe
photo: CERN
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あなたの体の中の物質が、何十億年も前のものであることをご存知ですか?
ほとんどの天体物理学者によると、今日宇宙にあるすべての物質、つまり人間や植物、動物、地球、星、銀河の中の物質も含めて、約130億年前と考えられる最初の瞬間に作られたのだそうです。 この非常に密度の高い点が、想像を絶する力で爆発し、物質を生み出し、それを外へと押し出して、この広大な宇宙の何十億もの銀河を作り出したのです。 宇宙物理学者は、この巨大な爆発をビッグバンと名づけた。
ビッグバンは、今日、地球上で目撃されるどのような爆発とも異なっていました。 たとえば、水爆の爆発は、中心部が約1億℃を記録し、空気中を秒速300メートルで移動します。 これに対し、宇宙論者は、ビッグバンが光速(水爆の100万倍の秒速30万メートル)でエネルギーを四方に放出したと考え、爆発からわずか1秒後には宇宙全体の温度が1000兆度になっていたと推定している。 今日の宇宙で最も高温の星の中心でさえ、それよりはるかに低温なのです。
ビッグバンには、もう一つ重要な特質があります。 人工爆弾の爆発は空気を通って膨張しますが、ビッグバンは何も通さずに膨張したのです。 それは、時間の始まりには、拡大する空間がなかったからです。 むしろ、ビッグバンによって空間そのものが作られ、引き伸ばされ、宇宙が拡大したと物理学者は考えています。

冷却され膨張する宇宙

Hubble Deep Field
photo:

ビッグバン後のほんの一瞬の間に、宇宙物理学者たちが今日の宇宙で目にするどのような状況とも異なる、非常に高い熱を持った状況が生まれました。 今日の惑星や星は、水素やシリコンといった元素の原子で構成されていますが、科学者たちは、当時の宇宙は、クォークや光子といった最も基本的な粒子以外のものには熱すぎたと信じています。
しかし、宇宙が急速に拡大するにつれて、ビッグバンのエネルギーが宇宙空間でますます「希薄」になり、宇宙が冷えていったのです。 ビール瓶を開けると、瓶の中に閉じ込められていた気体が空中に拡散し、ビールの温度が下がるのとほぼ同じような冷却膨張作用が起こります。
急速な冷却により、私たちが知っているような物質が宇宙で形成されましたが、これがどのように起こったのか、物理学者はまだ正確に解明しようとしています。 ビッグバンから約1万分の1秒後に陽子と中性子ができ、数分後にはこれらの粒子がくっついて、主に水素とヘリウムの原子核が形成されました。 数十万年後、電子が原子核とくっつき、完全な原子になりました。
ビッグバンから約10億年後、重力によってこれらの原子が巨大なガスの雲に集まり、銀河と呼ばれる星の集合体が形成されました。 重力は、質量のある物体を互いに引き寄せる力であり、例えば空中に投げたボールが地球に落ちてくるのと同じ力である。
地球のような惑星はどこから来たのか? 星は何十億年もかけて、高温の中心部で水素やヘリウム原子を「調理」して、炭素や酸素などの重い元素を作ります。 大きな星は時間とともに爆発し、これらの元素を宇宙空間に吹き出します。 この物質が凝縮されて、恒星、惑星、衛星となり、私たちの太陽系を構成しているのです。

なぜビッグバンが起きたとわかるのか?
過去100年の間に、宇宙物理学者たちはビッグバン説を支持する多くの有力な証拠を発見しました。 そのひとつが、宇宙が膨張しているという観測結果です。 遠くの銀河が放つ光を調べると、これらの銀河は私たちの銀河系から急速に遠ざかっていることがわかったのです。


テレビに映る静電気は、ビッグバンから残った放射線によるものだと知っていましたか?

もうひとつの重要な発見は、宇宙空間全体で低レベルのマイクロ波が観測されたことです。 天文学者は、このマイクロ波の温度は摂氏約-270度で、ビッグバンによって生じた超高温放射の名残りだと考えています。
興味深いことに、天文学者は、高出力の望遠鏡で非常に遠くのガスの雲を見ることで、宇宙がかつてどれほど高温であったかを知ることができます。 これらの雲からの光は何十億年もかけて望遠鏡に届くので、何十年も前に出現したような天体を見ることができるのです。 驚いたことに、これらの古代のガスの雲は、若い雲よりも高温であるように見えます。
科学者たちは、宇宙のさまざまな元素の相対的な量を測定することによっても、ビッグバン理論を支持することができました。 その結果、宇宙には質量比で水素が約74%、ヘリウムが約26%含まれていることがわかりました。 他のすべての重い元素(炭素や酸素のような地球上で一般的な元素を含む)は、すべての物質のごく一部を構成しているに過ぎないのです。
では、これがビッグバンについてどのように証明するのでしょうか? 科学者たちは、理論的な計算によって、これらの元素の量は、非常に高温で高密度の状態で始まり、その後急速に冷えて膨張した宇宙でのみ作られたものであることを示しました。 これこそ、ビッグバン理論が予言する宇宙の姿なのです。
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