セクションIV ハッブル図

前の2つのセクションで、銀河団とスペクトルについて調べましたが、 これはエドウィン・ハッブルが1929年に行ったのと同じ手順をたどっています。 もうあとは1つの課題が残っているだけです。データをまとめてハッブル図を 作り、宇宙について何らかのことを学び取るのです。

ハッブル図とビッグバン

天文学者をビッグバンの描像に導いた鍵となる大発見は、ハッブル 図での距離と赤方偏移の直線関係でした。ハッブルは2つの重要な観測を行っ て、この描像にたどり着きました。1つ目は、距離と赤方偏移の直線関係は空 の方向によらないということです。ある方向では銀河が私たちから後退してい るように赤方偏移が見えるが、その逆方向では逆に青方偏移が見えるなどということ はないのです。どの方向を向いても銀河は私たちから遠ざかっていくように見 え、銀河が遠ければ遠いほど、動く速度も速く見えるのです。2つ目は、空の 様々な方向や様々な距離にある銀河の個数を数えると、(銀河がところ どころ集団を作っているのを平均すれば)宇宙空間には一様に銀河が分布 していることがわかることです。

2番目の観測から、私たちがいるのは宇宙空間の何ら特別な場所でないと いうことが示唆されます。どの方向にも宇宙の端や何か別の特徴が見えないのですか ら。すべての銀河が私たちから遠ざかっていくように見えますが、それは私た ちが宇宙の中心にいるという意味ではありません。統計的にはすべての銀河か ら同じことが見えるでしょう。つまりどんな銀河にいる観測者もハッブル図を 作れば、すべての方向について直線関係を得るでしょう。これはまさに宇宙空 間全体が一様に膨張していて、銀河はその膨張する空間につけられ た印であると仮定したときに得られる描像です。もしハッブルが距離と赤 方偏移の間に直線関係以外のものを見つけていたら、膨張宇宙モデルでは説明で きなかったでしょう。

「ビッグバン」という言葉は、宇宙空間のどこかで爆発がおき、粒子が空 間を突き進んでいくような印象を与えます。もしこれが本当なら、爆発した場 所に対して一番速く動いている粒子は一番遠くまで進んでいることになり、距 離と速度の間の直線関係が導かれます。しかしこれはビッグバン宇宙論の考え方 とは全く違います。この爆発モデルは、実はビッグバン宇 宙論モデルより複雑です。というのは、なぜある場所で爆発が起こって別の場 所では起こらないのか、中心に近い銀河と端にある銀河は何が違ったために そうなったのか、などを説明する必要があるからです。ビッグバン宇宙論ではすべ ての場所や銀河は等価で、誰もが同じものを見るし、中心や端もないのです。

ハッブルは自分自身では赤方偏移を測りませんでした。もうすでに何十個 かの銀河についてヴェスト・スライファーが赤方偏移を測っていたのです。ハッ ブルの重要な貢献は、銀河や銀河団までの距離を見積もり、彼の図のデータが 直線で表せることに気付いたことです。

赤方偏移と距離の直線関係は、

c z = H₀ d ,

のように表すことができます。ここで、c は光の速度、z はスペクトルの 赤方偏移、d は距離、そして H₀ はハッブル定数と呼ばれる比例 定数で、その値は距離 d を測るときに使われる単位によって変わります。添 え字の0は「現在の宇宙で評価した値」という意味で、宇宙年齢がもっと若かっ たときにはこの値は変わり得るということを示しています。どんどん遠くにあ る銀河を観測するにつれて、そこからの光が届くのにより時間がかかるので、 私たちはどんどん過去を見ていることに注意して下さい。言い換えれば、大き な d は、私たちが宇宙のより初期を見ているということを意味しているので す。(十分に大きな d であれば、単純な直線関係から外れることが予想される かもしれませんが、それはまた別の話です。)

もし天文学者にある銀河までの距離を尋ねたら、おそらくその人は赤方偏移 z を測定し、上の式を使って d を計算するでしょう。しかしこれからやるのは その計算ではありません。私たちはこれからその式自体が正しいことを証明しようとし ているのです。そのためには赤方偏移 z の測定とは独立に、距離 d を見積もらなけれ ばなりません。

絶対距離と相対距離

SDSSで発見された、赤方偏移 5.8 距離にすると約2800 Mpc に あるクエーサー

セクション II で測ったのは、絶対的な距離ではなく相対的な距離 でした。絶対的な距離を求めるということは、d の値をインチやメートルなど の単位で知るということです。天文学者は、メガパーセク(Mpc)と呼ばれる単 位を使います。 1 Mpc = 3.1 x 10²² m です(距離の感覚をつかむ 例としては、アンドロメダ銀河までの距離が 1Mpc 弱です)。このような単位 を使えば、 H₀ の単位は、km/sec/Mpc です。現在好んで使われて いる値は、 H₀ = 70 km/sec/Mpc です。この数に伴う誤差は10%程 度で、これは銀河までの絶対距離の測定精度を反映しています。

セクション II では相対距離しか測れなかったため、 H₀ の値 についてはなんの情報もありませんでした。しかしそれでも、あなたがここま でやってきた作業は偉大な業績です。ビッグバン宇宙論の基礎は、特定の H₀ の値ではなく、この図の直線関係だったのです。 あなたが、セクション II と III でやってきたこととちょうど同じこと に対して、ハッブルはもう少しでノーベル賞をもらうところでした。(悲しいこ とに、ちょうど彼に賞を与えるために委員会が作られた1953年に、 ハッブルは亡くなりました。ノーベル賞は死後に授与することはできないの です。)

すべてを考え合わせる

これまでのデータは距離と赤方偏移の関係を示していて、宇宙が膨 張していることを示唆していました。これは驚くべき結果ですが、空のほんの 小さな一箇所のいくつかの銀河を見ただけだということを忘れてはいけません。 科学者が納得するためにはたくさんの数のデータが必要で、多くの科学者はあ なたの結果に疑問を抱くでしょう。彼らは空のその領域で何かおかしなことが 起こっているとか、あなたが見つけたのはただの統計的な偶然の一致だとか言 うかもしれません。

実際、エドウィン・ハッブルも彼の発見を科学者に納得させるのに は苦労しました。彼は1929年にその発見を発表したあと、天文学者のミルトン・ ハマソンと協力してハッブル図をさらに遠くへ、大きな赤方偏移の方へとた どってみるための系統的なプログラムを開始しました。彼らは何千もの銀河を 見て、直線の説明は本当に妥当であることを証明しようとしました。そして彼 らは成功したのです。1937年、これらの観測によって赤方偏移と距離の関係は しっかりと確立されました。

このプロジェクトは、Rich Kron と Jordan Raddick によるものです。

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