宇宙マイクロ波背景放射 (CMB):宇宙の起源を理解する

宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) または宇宙マイクロ波背景放射 (CMBR) は、約 138 億年前の宇宙の始まりを示す出来事であるビッグバンからの残留熱放射です。このかすかな光は、観測可能な最古の光です。これは、宇宙が誕生してからわずか 38 万年前のスナップショットとして機能します。 CMB は、初期宇宙、その構造、宇宙を支配する基本的な力と粒子に関する重要な情報を提供します。

重要な概念

• CMB は宇宙最古の光であり、その起源はビッグバンにまで遡ります。
• CMB は、温度約 2.725 K のスペクトルのマイクロ波部分で観察できます。
• 宇宙背景放射は、雲を通して間接的に太陽を見るのと似ています。
• ビッグバンから約 38 万年後の再結合時代に形成されました。
• CMB の特徴には、温度変動、偏光、黒体スペクトルが含まれます。
• CMB は、ビッグバン理論の重要な証拠と、宇宙の構成、年齢、初期の状態に関する洞察を提供します。

CMB の観察方法と、通常は見えない理由

科学者たちは、電磁スペクトルの無線部分に含まれるマイクロ波放射を検出する特殊な機器を使用して CMB を観察します。これらのマイクロ波の波長は約 1.9 ミリメートルです。これは、絶対零度のすぐ上の約 2.725 ケルビン (-270.425°C) の温度に相当します。

CMBは非常に暗く、可視光線の範囲外にあるため、日常生活では見ることができません。さらに、星、銀河、その他の天体からのはるかに強い放射によって影が薄くなります。 CMB の観測には、地球の大気やその他の放射線源からの干渉を避けるために、多くの場合、宇宙空間または高高度に設置される高感度の機器が必要です。

宇宙マイクロ波背景放射の形成

CMBは、ビッグバンから約38万年後に起こった「再結合」として知られる期間に形成されました。再結合する前の宇宙は、陽子、電子、光子（光の粒子）からなる高温で高密度のプラズマでした。光子は常に荷電粒子と相互作用し、宇宙を不透明にしていました。

宇宙が膨張して冷えるにつれて、陽子と電子が結合して中性の水素原子を形成するのに十分な低い温度に達しました。このプロセスにより自由電子の数が減少し、光子が空間を自由に移動できるようになりました。この瞬間に放出される光が、現在 CMB として観察されているものです。

宇宙マイクロ波背景放射の特徴

CMB は均一ではありません。これには、宇宙の初期条件を反映する温度と密度の小さな変動が含まれています。

CMB の進化と将来

CMB はその形成以来、宇宙が膨張するにつれて冷却され、赤方偏移を起こしました。最初はもっと暑かったです。空間が伸びるにつれて、CMB 光子の波長が長くなり、そのエネルギーが減少し、放射が冷却されました。

遠い将来、宇宙が膨張し続けるにつれて、CMBはさらに赤方偏移し、より長い波長とより低い温度に伸びるでしょう。最終的には、エネルギーが減少するにつれて検出がますます困難になるでしょう。

CMB の歴史と発見

CMB は 1965 年に、ラジオ アンテナを使用してマイクロ波信号を研究していたアルノ ペンジアスとロバート ウィルソンによって偶然発見されました。彼らは、明確な発生源のない、全方向に等方性かつ均一な継続的なノイズを発見しました。考えられるさまざまな説明を排除した後、彼らはビッグバンの残光を検出したことに気づきました。彼らの発見はビッグバン理論の強力な証拠を提供し、1978 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

CMB の宇宙起源の決定

科学者たちは当初、太陽系内、天の川銀河、遠方の銀河からの放射線など、CMB に関するさまざまな代替説明を検討しました。しかし、CMB の均一性と等方性は、その特有の黒体スペクトルとともに、宇宙起源を示しました。さらに、CMB でわずかな異方性が発見されたことで、これらの異方性がビッグバン モデルの予測と一致したため、CMB が初期宇宙の遺物であることがさらに確認されました。

CMB を調査する実験

数多くの実験やミッションが CMB を研究し、宇宙の初期状態に関する貴重なデータを提供しています。

• COBE (宇宙背景探検家、1989 ～ 1993 年) ：CMBのスペクトルと大規模な異方性を測定した最初の衛星。これにより、CMB の黒体スペクトルが確認され、小さな温度変動が検出されました。
• WMAP (ウィルキンソン マイクロ波異方性プローブ、2001 ～ 2010 年) :CMB の温度異方性の詳細な測定結果を提供し、宇宙の年齢、組成、幾何学的形状の推定を精緻化するのに役立ちました。
• プランク衛星 (2009 ～ 2013 年) :CMB の温度と偏光異方性の測定においてさらに高い精度を達成し、宇宙の初期状態とその後の進化のモデルの改善につながりました。
• 地上および気球実験 :さまざまな地上望遠鏡 (南極望遠鏡など) や気球ミッション (BOOMERanG など) も、CMB の偏光やより微細なスケールの異方性を測定することで、CMB の理解に貢献します。

宇宙マイクロ波背景放射の重要性とそれが私たちに伝えること

CMB は現代の宇宙論の基礎です。宇宙の起源、構造、進化に関する情報を提供します。

• ビッグバンの証拠 :CMB の存在とその特徴は、ビッグバン理論の強力な証拠を提供し、代替の宇宙論モデルを除外するのに役立ちます。
• 宇宙の構成を理解する :CMB の測定は、科学者が宇宙内の通常物質、暗黒物質、暗黒エネルギーの相対量を決定するのに役立ちます。
• 宇宙のインフレに関する洞察 :CMB の小さな異方性は、宇宙のインフレーション理論を裏付けています。宇宙の初期段階におけるこの急速な膨張は、広大な距離にわたる CMB の均一性を説明するのに役立ちます。
• 初期宇宙の地図作成 :CMB は、宇宙の「赤ちゃんの写真」を提供し、宇宙がわずか 38 万年前の様子を私たちに示しています。このスナップショットは、銀河や星団などの大規模な構造の形成を追跡します。

参考文献

• エヴァンス、ロドリ (2015)。 宇宙マイクロ波背景放射:宇宙に対する私たちの理解をどのように変えたのか 。スプリンガー。 ISBN 978-3-319-09927-9。
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• 小松栄一郎 (2022) 「宇宙マイクロ波背景放射の偏光からの新しい物理学」。 ネイチャー レビューの物理学 。 4 (7):452–469。土井:10.1038/s42254-022-00452-4
• ペンジアス、A.A. (2006)。 「元素の起源」。 科学 。 205(4406)。ノーベル財団:549–54。 doi:10.1126/science.205.4406.549
• プランクとのコラボレーション。他。 （2020年）。 「Planck 2018 の結果。V. CMB パワー スペクトルと尤度」。 天文学と天体物理学 。 641:A5。土井:10.1051/0004-6361/201936386