宇宙論

I

プロローグ

宇宙の起源、進化、大規模な構造、将来のようすをふくめた、宇宙全体の研究。宇宙の起源や、太陽系のような天体系の起源の研究は、宇宙進化論ともよばれる。

II

初期の宇宙論

前約4000年ころの最初の宇宙論は、メソポタミア人によって考えられたものである。それらは、地球が宇宙の中心にあり、宇宙とほかの天体が地球の周りをまわっている、というものだった。

夜空にみられる星の動きは、星が固定されている透明球体が回転するためである、と古代ギリシャのアリストテレスやプトレマイオスなどは説明した(→ プトレマイオス体系)。サモスのアリスタルコスは前270年ころ、地球が太陽の周りをまわっている、と主張したが、アリストテレスの権威のかげになり、地球が宇宙の中心であるとする説は長い間かわることがなかった。

1543年、ポーランドの天文学者ニコラス・コペルニクスが、自らの理論著を「天球の回転について」で、宇宙の中心は太陽であり、太陽の周りを惑星が円軌道をえがいて回転している、と提案したのである。星の出と入りは、地球が自転しているためであると説明した。このコペルニクス体系をドイツの天文学者ヨハネス・ケプラーがうけて、惑星は3つの法則にしたがって、速度を変化させながら楕円(だえん)軌道をうごいていることを発見した。この法則はケプラーの法則とよばれている。

初めて望遠鏡をつかって惑星を観測したガリレイもまた、宇宙の中心を地球とするアリストテレスの考えを否定し、コペルニクス体系の擁護者となった。イギリスの数学者・物理学者ニュートンは、惑星の運動に関するケプラーの法則を、ニュートンが発見した運動と重力の一般法則からみちびきだせることをしめした。したがって、これらの物理法則は、地球だけでなく天にもあてはめられることがしめされたのである。

III

星間距離

星と星との間がどれくらい離れているかということについては、19世紀初めにドイツの天文学者ベッセルによってしめされた。ベッセルは近くの星、はくちょう座61番星が、地球と太陽との距離の約60万倍の約9光年のかなたにあることを発見した。

1917年、アメリカの天文学者ハーロー・シャプリーは、銀河系(→ 天の川)の直径は約30万光年であると推定した。これははじめてしめされた銀河系の大きさである。しかし、シャプリーは遠くの星からの光が銀河系内にあるちり粒子によって吸収されてしまうことを考慮にいれていなかった。ちりのため天体は暗くみえ、実際よりも遠くにあるようにみえる。

現在では、みることのできる銀河系の直径はおよそ8万光年とされている。オランダの天文学者オールトは、太陽が銀河系の中心を一周するのに約2億5000万年かかることを発見した。そこから、銀河系の質量は太陽の質量の約1000億倍だ、と計算することができた。

20世紀の初めまで、渦巻きや楕円(だえん)の形をした星雲の本質はわかっていなかった。星雲が銀河系の中にあるのか、それとも外にあるのかもはっきりわかっていなかった。1924年、アメリカの天文学者ハッブルは、アンドロメダをふくむいくつかの星雲を、個々の星にわけてとらえることに成功した。

これらにはケフェウス型変光星(→ 変光星)とよばれる脈動星がふくまれていた。星の脈動周期を測定すると、これらの星固有の光度を測定することができる。星雲内でみつかったケフェウス型変光星の見かけの光度を、近くのケフェウス型変光星の光度とくらべることで、ハッブルはこれらの星雲が銀河系の外にあることを証明した。

これは、何千という渦巻き星雲と楕円星雲そのものが独立した銀河であることを意味している。つまり、銀河系の外に別の銀河があって、それぞれが何千億という星をふくんでいるのである。ハッブルは、アンドロメダ銀河までの距離を90万光年と推定したが、のちにケフェウス型変光星がもっと遠くにあることがわかり、220万光年に訂正されている。

IV

ハッブルの法則

銀河のスペクトルの研究をしていたアメリカの天文学者ベスト・スライファーは、アンドロメダ銀河のような近くにある数個の銀河をのぞけば、銀河のスペクトル線がより波長の長いほう(赤いほう)にずれていることに(→ 赤方偏移)、1912年に気づいていた。ドップラー効果によって生じる波長のずれは、銀河がわたしたちの銀河系から秒速数百キロメートルの速さで遠ざかっていることをしめしていた。

1929年、ハッブルは、さまざまな銀河までの距離と、スライファーが測定した同じ銀河の赤方偏移とを比較し、遠い銀河ほど遠ざかる速度が大きいことを発見した。これは、赤方偏移の法則またはハッブルの法則とよばれ、銀河の後退速度はその距離に比例する、というものである。銀河の距離に対する後退速度の割合をハッブル定数といい、現在、1メガパーセク(=100万パーセク)当たり秒速50～100kmと推定されている。

どの方向の銀河も銀河系から遠ざかっているようにみえるので、銀河系が宇宙の中心であるように思えるかもしれない。しかし、そうではない。等間隔に点をつけた風船を考えてみよう。風船がふくらむにつれて、それぞれの点上にいる観測者には、すべての点が自分から遠ざかっていくようにみえる。これはすべての銀河が銀河系から遠ざかっていくようにみえるのと同じである。このたとえはまた、ハッブルの法則のわかりやすい説明でもある。宇宙は風船のように膨張しているのである。