望遠鏡は時の始まりを見ることができるのか？天文学者が解説

2024年4月14日

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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、略してJWSTは、これまでに建設された望遠鏡の中で最も先進的なもののひとつである。JWSTの計画は25年以上前に始まり、建設作業は10年以上に及んだ。JWSTは2021年12月25日に宇宙に打ち上げられ、1カ月以内に最終目的地である地球から93万マイル離れた場所に到着した。JWSTは宇宙空間にあるため、宇宙を比較的遮るものがなく見ることができる。

望遠鏡の設計はNASAが主導した世界的な取り組みであり、革命的なエンジニアリングで天体観測の限界を押し広げることを意図している。その鏡は巨大で、直径は約21フィート（6.5メートル）。これは1990年に打ち上げられ、現在も稼働しているハッブル宇宙望遠鏡の約3倍の大きさである。

望遠鏡の鏡は光を集めるためのものだ。JWSTのそれは、宇宙の最も淡く遠い銀河や星を「見る」ことができるほど大きい。その最新鋭の観測装置によって、これらの遠い宇宙の天体の組成、温度、運動に関する情報を明らかにすることができる。

天体物理学者である私は、星や銀河、超巨大ブラックホールが地球に向かって光を放ち始めた頃、どのような姿をしていたのか、常に時間をさかのぼって観察し、それらの成長や進化をよりよく理解するためにその情報を利用している。私にとって、そして何千人もの宇宙科学者にとって、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は未知の宇宙への窓なのだ。

JWSTは宇宙を、そして過去を、どこまで遡ることができるのでしょうか？およそ135億年前です。

34537748622 75529df8e5 4k — (Credit: NASA/Chris Gunn)

タイムトラベル

望遠鏡は、星や銀河や太陽系外惑星を現在の姿のまま映し出すわけではない。その代わり、天文学者は過去にそれらがどうであったかを垣間見ることができる。光が宇宙を旅して望遠鏡に届くまでには時間がかかる。要するに、宇宙を覗くということは、時間をさかのぼることでもあるのだ。

これは、私たちのすぐ近くにある天体でも同じことが言える。太陽からの光は、約8分20秒前に太陽から去っている。これは、太陽の光が地球に届くまでの時間である。

これは簡単に計算できるだろう。太陽光であれ、懐中電灯であれ、家の電球であれ、すべての光は1秒間に186,000マイル（約30万キロメートル）の速さで進む。これは1分間に1,100万マイル（約1,800万キロメートル）強の速さだ。太陽は地球から約9,300万マイル（1億5,000万キロメートル）離れている。これは約8分20秒に相当する。

しかし、遠くにあるものほど、その光が私たちに届くまでに時間がかかる。つまり、プロキシマ・ケンタウリは地球から約25兆マイル（約40兆キロ）離れているため、その光が私たちに届くまでに4年強かかるのだ。科学者が言うところの4光年だ。

最近、JWSTはこれまで検出された中で最も遠い星のひとつであるエアレンデルを観測した。JWSTが見たエアレンデルの光は、約129億年前のものだ。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、ハッブル宇宙望遠鏡のような他の望遠鏡では不可能だった、はるか昔を観測している。例えば、ハッブル宇宙望遠鏡は人間の目の6万倍暗い天体を見ることができるが、JWSTはハッブル宇宙望遠鏡の9倍暗い天体を見ることができる。

ビッグバン

しかし、時間の始まりまで遡ることは可能なのだろうか？

ビッグバンとは、私たちが知っている宇宙の始まりを定義するために使われる言葉である。科学者たちは、それが約138億年前に起こったと考えている。物理学者の間では、宇宙の歴史を説明する理論として最も広く受け入れられている。

しかし、ビッグバンという名称は、花火のようなある種の爆発が宇宙を創造したと思わせるため、少々誤解を招きやすい。ビッグバンは、宇宙のあらゆる場所で急速に膨張する空間の出現をより正確に表している。ビッグバン直後の環境は、宇宙を覆う霧のようなもので、光がその向こう側へ伝わりにくくなっていた。やがて銀河、星、惑星が成長し始めた。

これが、この時代が “宇宙の暗黒時代”と呼ばれる所以である。宇宙が膨張し続けるにつれて、宇宙の霧が立ち始め、光はやがて宇宙空間を自由に旅することができるようになった。実際、ビッグバンが起きてから約38万年後、いくつかの人工衛星がビッグバンが残した光を観測している。これらの望遠鏡は、マイクロ波帯でその光を追跡できる、ビッグバンの残り火を検出するために作られた。

しかし、ビッグバンから38万年後でも、星や銀河は存在しなかった。宇宙はまだ非常に暗い場所だったのだ。宇宙の暗黒時代は、最初の星や銀河が形成され始める数億年後まで終わらなかった。

NGC605 JWST — これは、地球から約270万光年離れた星形成領域NGC 604のJWST画像。 (Credit: NASA/ESA/CSA/STScI)

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、ビッグバンのはるか昔を観測するために設計されたのではなく、宇宙の最初の天体が形成され、光を放ち始めた時期を観測するために設計された。この時期以前は、初期宇宙の条件や銀河や星の不足から、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が観測できる光はほとんどない。

ビッグバンに近い時期までさかのぼることは、単に大きな鏡があればいいという問題ではない。天文学者は、ビッグバン直後のマイクロ波放射を観測する他の衛星を使って、すでにそれを実現している。つまり、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がビッグバンから数億年後の宇宙を観測するのは、望遠鏡の限界ではないのだ。むしろ、それが望遠鏡の使命なのです。星や銀河からの最初の光が、宇宙のどのあたりで現れるかを予測しているのだ。

古代の銀河を研究することで、科学者たちは宇宙初期のユニークな条件を理解し、それらが繁栄するのに役立ったプロセスについての洞察を得たいと考えている。これには、超大質量ブラックホールの進化、星のライフサイクル、太陽系外惑星（太陽系を超えた世界）が何でできているかなどが含まれる。

本記事は、Adi Foord氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Could a telescope ever see the beginning of time? An astronomer explains」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。