宇宙はどこまで広がっているのか？――「観測可能な宇宙」とその外側

夜空を見上げたとき、私たちは宇宙のほんの一部しか見ていない。では、宇宙はどこまで続いているのだろうか。

この問いには少し意外な答えがある。

現在の科学が大きさを語れるのは、主として「宇宙そのもの」ではなく「観測可能な宇宙」である。宇宙全体がどれほど大きいか、あるいは無限なのかは、まだ分かっていない。

宇宙の年齢は約138億年

現在の標準宇宙論では、宇宙は約138億年前、非常に高温・高密度な状態から膨張を始めたと考えられている。

ここで素朴な疑問が生まれる。

光より速いものはないのなら、138億年間に届く光は最大138億光年先からではないのか？

ところが、現在の「観測可能な宇宙」の半径は、およそ460億光年規模と見積もられている。

矛盾しているように見える。

光が飛んでいる間にも、空間そのものが伸びた

鍵は、宇宙が静止した空間ではないことにある。

遠方の銀河から光が放たれたあと、その光が地球へ向かって進んでいる間にも、銀河と地球の間の空間は膨張し続けた。

そのため、私たちに今届いた光が旅した時間と、その天体までの「現在の距離」は同じではない。

おおまかには、

• 宇宙年齢：約138億年
• 観測可能な宇宙の現在半径：約460億光年
• 直径：約930億光年

という関係になる。

これは「銀河が空間の中を光速以上で飛んでいる」という意味ではない。非常に遠い領域では、銀河どうしを隔てる空間そのものの膨張によって距離が増えている。

特殊相対論の「局所的な物体は光速を超えられない」という制限と、一般相対論で扱う宇宙規模の空間膨張は同じ話ではない。

私たちが見られる最古の「光」

望遠鏡をどれほど高性能にしても、宇宙誕生直後そのものを普通の光で見ることはできない。

初期宇宙は高温で、電子と原子核がばらばらに飛び交うプラズマだった。光子は電子によって何度も散乱され、自由に直進できなかったからだ。

宇宙誕生から約38万年後、宇宙が十分に冷えると電子が原子核に捕まり、中性原子が形成された。すると光が宇宙空間を自由に進めるようになった。

このときの光の名残が、現在ではマイクロ波まで引き伸ばされて観測される。

これが**宇宙マイクロ波背景放射（CMB）**である。

つまり私たちは、光による観測では約38万年後の宇宙に一つの「壁」を持っている。

「観測可能な宇宙の端」に壁があるわけではない

よくある誤解が、

約460億光年先に宇宙の壁がある

というものだ。

そうではない。

観測可能な宇宙とは、現在の私たちに情報が届き得た範囲にすぎない。

海の上で水平線を見ても、水平線で海が終わっているわけではない。それに近い。

しかも観測者が変われば「観測可能な宇宙」も変わる。何十億光年も離れた銀河に観測者がいれば、その観測者を中心とした別の観測可能領域を持つ。

したがって、私たちは宇宙の中心にいるわけでもない。

では宇宙全体はどれほど大きいのか

分からない。

現在の観測から、宇宙の大域的な空間曲率は非常に平坦に近いことが分かっている。しかし「平坦に近い」ことだけでは、

• 本当に無限なのか
• 有限だが非常に巨大なのか
• 特殊な位相構造を持つのか

までは決められない。

地球表面には「端」はない。しかし面積は有限である。同じように、高次元の幾何学では「端がない有限宇宙」も数学的には可能である。

一方、無限に広がる宇宙も現在の観測と矛盾しない。

「宇宙の外側」はあるのか

宇宙を巨大な箱のように考えると、「箱の外には何があるのか」と聞きたくなる。

しかし一般相対論では、宇宙は単に物質が入った容器ではなく、空間と時間そのものを含む時空として扱われる。

したがって、少なくとも現在の標準宇宙論の枠組みでは、「宇宙の外側」という言葉自体が物理的に定義できない可能性がある。

北極からさらに北へ行く場所を尋ねるようなものかもしれない。

私たちが知っている宇宙は、本当に全体なのか

観測可能な宇宙だけでも途方もなく多くの銀河を含む。しかし、その巨大な領域ですら宇宙全体のごく一部かもしれない。

インフレーション宇宙論の一部では、私たちが観測できる宇宙は、はるかに巨大な宇宙の小領域にすぎない可能性も示される。

つまり、人類は「宇宙の大きさ」を測ったというより、自分たちが原理的に見ることのできる範囲を測っているのである。

まとめ

宇宙の年齢が約138億年だからといって、宇宙の半径が138億光年というわけではない。

空間そのものが膨張した結果、観測可能な宇宙の現在半径は約460億光年規模になる。

そして重要なのは、その境界が宇宙の端ではないということだ。

私たちが見ているのは、宇宙全体ではなく、宇宙の中で因果的に私たちへ情報が届いた領域である。

宇宙全体が有限なのか無限なのか。その答えを、人類はまだ持っていない。

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参考資料

• NASA, “NASA’s James Webb Space Telescope and the Big Bang: A Short Q&A with Nobel Laureate Dr. John Mather”
• NASA / WMAP Science Team, Cosmic Microwave Background resources
• ESA, Planck mission cosmology resources