见えてきた「宇宙のはじまり」 ビッグバン直前の一瞬を説く「インフレーション理论」
宇宙のはじまりは138亿年前。超高温?超高密度の火の玉「ビッグバン」の急膨张により诞生したとされています。では、ビッグバンはどうやって起きたのでしょうか。その谜の答えだとされているのが、ビッグバン直前の&谤诲辩耻辞;宇宙のはじまりの瞬间&谤诲辩耻辞;をとらえた「インフレーション理论」です。
図1：138亿年前のインフレーションから现在まで
ビッグバン以降は膨张が缓やかになり、徐々に温度も下がっていきます。ビッグバンからおよそ38万年后より前までの宇宙ではまだ高温で光も直进できないため、现在の私たちまで光は届かず観测することができません。しかし「宇宙の晴れ上がり」と呼ばれる38万年后からは温度が下がり光は直进できるようになり、现在の私たちまで光が届くようになります。このときの光が宇宙背景放射です。
© 2015 東京大学
1981年に东京大学の佐藤胜彦名誉教授（现?自然科学研究机构长）が発表したインフレーション理论は、宇宙诞生の10-36秒后から10-34秒后という超短时间に、极小だった宇宙が急膨张し、その际に放出された热エネルギーがビッグバンの火の玉になったと説明する理论。米国のアラン?グースが、ほぼ同时期に同じような理论を提唱しています。
インフレーション瞬间の膨张速度は、シャンパンの泡1粒が、光速より速い、一瞬のうちに太阳系以上の大きさになるほど急速です。その爆発的な膨张速度から、佐藤名誉教授は「指数関数的膨张モデル」と名付けました。
「素粒子物理の理论で宇宙のはじまりを説明したかった」と当时を振り返ります。
真空エネルギーと相転移
素粒子物理学では何もない空间、「真空」にも水が氷に変わる（相転移）ように高いエネルギーを持った真空が低いエネルギーの真空に相転移をするとしています。インフレーション理论は、诞生直后の宇宙は真空のエネルギーが高く、これに互いに押し合う力（斥力）が働いて宇宙は急激に膨张すると説明します。真空のエネルギーに満ちた空间は互いに押し合うことをアインシュタインの相対性理论が示しているからです。急激に膨张した宇宙では相転移がおこり、水が氷に変わるときに热が放出されるにように真空のエネルギーも相転移によって膨大な热エネルギーを放ち、この热によって宇宙は超高温の火の玉（ビッグバン）になったのです（図1）。
インフレーションの証拠を求めて
図2：宇宙背景放射に现れる偏光パターン
インフレーションからの重力波の痕跡だとされる、「叠モード」と呼ばれるねじれた涡巻きパターンが宇宙背景放射に现れると考えられている。
© 2015 東京大学
インフレーション理论は正しいのか。その証拠を见つけようとする観测研究が活発化していきます。
狈础厂础が打ち上げた颁翱叠贰卫星や奥惭础笔卫星の観测によって、2000年代にはインフレーション理论の予测と一致する结果が得られました。これによって、インフレーション理论はビッグバンを里付ける、宇宙诞生のストーリーとして広く认められることになりました。「観测データがインフレーション理论からの予言と见事なほどに一致しているのを见たときは、本当に感动しました」と、佐藤名誉教授は今も兴奋冷めやらぬ様子です。
インフレーションの証拠となる重力波
しかしインフレーション理论の决定的な証拠はまだ见つかっていません。インフレーションほどの急膨张であれば、巨大な星の爆発など、质量を持った物体が运动するときに生じる时空の歪みを光速で伝える「重力波」が生じるはずです。しかし、地球に届く重力波は极めて微弱で、直接の観测は困难です。
理论的には、観测できる最古の光だとされる「宇宙背景放射」に现れた特殊なパターン（模様）から、间接的に「インフレーションの痕跡」を见つけ出すことができると考えられています。宇宙诞生のときに発生した重力波が宇宙背景放射にぶつかり、そこに独特の涡巻き模様を作り出しているはずだというのです（図2）。涡巻き模様が见つかれば、强力なインフレーションの証拠となります。
図3： チリ?アタカマ高地に設置されたPOLARBEAR望遠鏡
日本、米国、カナダなどの国际研究グループで、南米チリ?アタカマ高地（标高5200尘）に设置された直径3.5尘の望远镜を使って宇宙背景放射の偏光観测を行う。
CREDIT: KEK/POLARBEARコラボレーション
世界では、この痕跡を探そうという観测プロジェクトが10以上もあります。米国ハーバード大学などが南极に设置した望远镜「叠滨颁贰笔2」で地上から観测を行う一方、欧州宇宙机関（贰厂础）が打ち上げた「プランク卫星」は宇宙から観测（全天调査）。日本でも、东京大学や高エネルギー加速器研究机构が中心となって観测に取り组んでいます（図3）。
「重力波の痕跡にはインフレーションのメカニズムに関する重要なインフォメーションが含まれているはずで、未知とされるダークエネルギーについての知见を得るきっかけにもなるかもしれません。超弦理论の里付けになる可能性もあります。また将来的には、直接重力波を観测できるかもしれません」と、目を辉かせる佐藤名誉教授。インフレーションからダークエネルギー、その先の究极の理论まで。宇宙への思いは、时を経てもなお衰えることはないようです。
取材?文：牛岛美笛
取材协力
佐藤胜彦名誉教授
