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遠近法が通用しない!?

初出:2005年04月17日 元々のブログ・コンテンツへのリンク
カテゴリーのインデックス: 宇宙

注意。
このコンテンツは、ブログ公開後、コメントなどを反映し内容を大幅に修正している。


仕事柄、科学者の人と話をする機会が多い。
宇宙は誕生して、約130億年程度経っているらしい。遠くを観測する事は過去の宇宙の姿を観ることに等しい。光は一年で一光年進むので、130億光年の彼方を観ることは、130億年の過去を観ることと同じだ。
宇宙は膨張して居るので、遠くの光ほどはドップラー効果で波長が長くなる。誕生直後の宇宙は光が通らないほどの密度が高いので、現在は観測することができない。宇宙誕生から10万年ほど経ち光が直進できる程度まで密度が下がった頃の光が、現在はドップラー効果でマイクロ波として観測できる。
最初の頃の宇宙は、ほとんど水素とヘリウムでできている。その水素とヘリウムが集まって、最初の星が生まれるのだが、そのプロセスは良く分かって居ない。何故なら、最初の星や銀河が誕生した頃の光は、ドップラー効果で長い波長の赤外線になっているのだが、地球の大気は長い波長の赤外線を通さないからだ。
大気が通す波長で観測できるのは、宇宙誕生から10億年以降の宇宙だが、その頃の宇宙には、たくさん星や銀河が既に誕生した後である。
どうしても、最初の星や銀河が誕生した頃を観測したければ、地球の大気の外側に出るしかない。つまり、人工衛星で観測する訳だ。

私は人工衛星のシステムデザインが専門なので、どう言った望遠鏡が要るのか、その科学者に聞いてみた。
「できるだけ、大きな口径の望遠鏡が欲しい。」
「どう言った理由で、大きな口径の望遠鏡が欲しいのか?」
「遠くの光は、弱いので、それをたくさん集めるためだ。」
確かに分かりやすい理由だ。
だが、一般的に大口径光学系の利点は、それだけではない。カメラや天体観測が趣味の人なら判ると思うが、高い金を出してでも、大口径のレンズや反射鏡が欲しいのは、以下の2点だ。
(1) 暗いときでも明るく撮れる(暗い星でも明るく見える)
(2) 解像度が良い(倍率を高くできる)
(カメラの場合、「ボケができる」もあるが、この場合関係ない)
上記の回答は (1) と同じだ。だが (2) の理由もある筈だ。そう思って、私は促した。
「ものすごく遠くを観測するのだから、倍率を上げなければならないのでは?」
「いや、遠くに行けば行くほど小さく見えるのは、50億光年位までで、それ以上遠くなっても、物は小さく見えなくなる。」

「遠くの物が小さく見えないだって!?」

私は、絶句した。
遠近法が通用しなくなる・・・一体何故??

遠近法とは、イラストで青色の線で示したように光が真っすぐに進むために遠くの物が小さく見える現象だ。
だが、赤い線で示したように、光が曲がって進めば、必ずしも遠くの物が小さく見える訳ではなくなる。
我々の宇宙では、ごく近い範囲(と言っても50億光年だが)では、近似的に光は直進して居るように見えるが、約130億年の大きさで見ると、曲がって進んで居るのだろう。

正確に言うと光が曲がって進むのではなく、空間が曲がって居て、その曲がった空間に沿って光が(局所的に)直進するため、全体としては光が曲がったように見えるのだ。
だから、イラストの赤い線のように空間が曲がって居ると考えるのが正しいのだろう。もちろん、空間の曲がりは二次元でも無ければ、三次元でも無く、四次元的に曲がって居る。
この空間の曲がりは、宇宙全体の質量によって起こって居るのか、宇宙が膨張するせいで起きて居るのか、私の知識では良く理解できない。(たぶん、「宇宙全体の質量」でも「膨張宇宙」でも同じ事なんだと思う。一般相対論で説明付くのだろうから、式でも立てれば良いのだろうが、自信が無い)

分からないなりに、いい加減な説明用イラストを描いてみた。


このイラストは、一番下に宇宙が誕生した瞬間を、上部中央に現在を示した。時間は、過去から未来に、イラストの中では下から上に流れて居る。
青い線は、宇宙の果てであり、膨張宇宙だから、時間と共に大きくなって居る。
赤い線は、大昔、宇宙誕生のすぐ後の光が、現時点まで来る経路を示したモノだ。途中幾つかあるひしゃげた三角錐は、詳しい説明は省くが、各々の時点での空間や時間の方向性を示すモノだ。
それぞれの三角錐は、外側に向かって歪んで居る。これこそ、宇宙が膨張して居る状態だ。これらの三角錐の内側の辺に沿って、赤い線が曲がって進む。
このように、光が曲がり、遠くのモノが小さく見えなくなる。

元々、誕生して10億年の宇宙は、大きさも半径10億光年ほどしかない(インフレーション宇宙論とか、膨張宇宙論にも色々なモデルがあるため、誕生からの年数と大きさは必ずしも比例しない)が、約120億光年の彼方の全天に広がって見える。その理由も、このイラストで説明できる。

と、まあ、これで何とか説明できたと思うのだが、本当にあっているのかなと、自信は無い。
そもそも、半径10億光年の大きさしか無い宇宙の光が、地球に届くのに約120億年もかかってるのだが、それで良いのだろうか?
(説明が間違って居たらコメント下さい。正直、自信は無いので)
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