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研究分野である「宇宙论」とは一体何を研究する学问なのでしょうか？宇宙のはじまりと进化について様々なことが分かっているようです。宇宙はこの先どうなるのでしょうか？宇宙の不思议なお话をうかがいました。

インタビュアー（以下、イ）：今回のインタビューは物理?情报科学科(物理分野)の齐藤辽先生です。よろしくお愿いします。

齐藤辽先生（以下、齐）：よろしくお愿いします。

どのような研究をされていますか？

齐：私の研究分野は「宇宙论」と言われるもので、宇宙そのものが研究の対象です。
「宇宙论」と一口に言ってもいろいろな研究対象があって様々なアプローチで研究している人がいますが、基本的には宇宙がどのように生まれ、进化してきたのか？また、宇宙を支配しているのはどんな物理理论なのか？ということを研究する学问です。

イ：具体的に先生はどんなことをやっているのでしょうか？

齐：なかなか简洁に説明するのは难しいのですが、まず宇宙が膨张しているという话を闻いたことはありますか？

イ：闻いたことはありますが、イメージが涌かないです。

齐：宇宙が膨张しているというのは、我々が住んでいる空间が时间とともに引き伸ばされていくという意味です。
と言ってもイメージするのは难しいですよね。
我々が住んでいる世界は上下前后左右がある3次元空间ですが、例えばゴム风船の表面の様な前后左右しかない2次元の平面世界に住んでいると想像してみてください。そして、ゴム风船の表面にいくつかの点を书きます。これを银河と考えてください。

风船が膨らむように、宇宙全体がどんどん大きくなっている。

このゴム风船を膨らませていくと、膜が引き伸ばされていって膜上の点と点は离れて行きますよね。风船の表面は2次元の面ですが、これを3次元にしたものが宇宙膨张だと思ってください。
夜空を眺めて宇宙はずっと変わらない静的なものだというイメージを持っている人も多いかと思います。でも宇宙は常に膨张を続ける动的なものであるというのが、现在の宇宙像なんです。

イ：宇宙はずっと同じ大きさを保っているわけではないんですね？

齐：そうですね。宇宙は動的なものであることが明らかになったのは、そんなに遠い昔のことではなく今から100年ぐらい前の话です。なぜ膨张しているということが分かったのかというと、最初は宇宙とは関係なく进められていた理论的な研究がきっかけでした。

アインシュタインの相対性理论について闻いたことはあるでしょうか？

Image Credit:T.Pyle/Caletech/MIT/LIGO Lab

例えば、止まっている人と动いている人とでは、时间の流れ方やモノの长さが変わるという话です。これを「特殊」相対性理论というのですが、さらに「一般」相対性理论というのがあります。こちらは重力に関する理论で、すごくざっくりというと、重力は时空（时间と空间）の歪みであるという理论です。重力は物质によって発生するものなので、これは物质の周りでは时空が歪む、つまり时间の流れ方が変わったり、空间が伸び缩みするということを意味します。

一般相対性理论は1915~16年に発表されたのですが、宇宙を空间が一様に物质で満たされたものだと思って、一般相対性理论を适用してみたら空间は时间とともに引き伸ばされていくということが発见されました。

この时点ではまだ理论的な可能性でしかなかったのですが、しばらく経った1929年にハッブルという人によって観测的にも宇宙が膨张しているという証拠が见つかります。

ゴム风船の例だと外から见れば膨张しているのは一目瞭然ですが、実际には外の世界なんてありません。
では何を観测したかというと、远方の银河の速度を测って、みな我々から远ざかっていることを発见しました。
ゴム风船を膨らますと银河同士の距离が広がっていくことが分かると思います。同じ状况を膜上のある一点から眺めると、银河が自分から远ざかっていくのが见えるはずです。さらに远ざかる速さには特徴があって、少し考えてみると、まず自分からの距离が同じなら远ざかる速さも同じです。また、距离が离れるほど远ざかる速さ（＝距离／时间）も大きくなります。

个々の银河は光でも数百万年かかるぐらいお互いに离れていますが、それらがみな示し合わせたように同じ法则に従って动いているわけです。この特徴は银河固有の运动だと思うと非常に不思议ですが、宇宙が膨张している効果だと思うと自然に理解できます。

この宇宙膨张の発见によって、现在につながる宇宙论研究が始まります。

宇宙に始まりがあった

齐：もし宇宙が膨張しているとすると、新たな疑問が生まれてきます。

イ：それは何ですか？

齐：まず、もしも宇宙が膨张しているということを信じるとするならば、逆に过去に遡るにつれて宇宙はどんどん小さくなっていくはずです。だとすると宇宙に始まりがあったはずだ！という考えに至ります。これをビッグバン理论と言います。

そして、宇宙は惑星や太阳系、银河など多様な构造に満ちていますが、宇宙に始まりがあるとすると、それらはどのようにして宇宙に生まれたのか？ビッグバン理论の観点に立って色んなものがどういう风に始まったのかという疑问が出てきます。
それらを明らかにすることが、宇宙论研究の目的のひとつです。

过去のことなんて分かるのかと思われるかもしれないですが、かなり多くのことが分かっています。
こんな宇宙の年表というものも描かれています。

図：宇宙の年表（ESA and the Planck Collaboration?一部改変）

例えば宇宙诞生后数分で元素が合成されたとか、数亿年后には银河が形成されていたといったことが分かっています。
文部科学省が配布している一家に1枚宇宙図というものもあって、そちらは眺めているだけでも楽しいですよ。おすすめです。

宇宙図（一家に1枚）笔顿贵

イ：昔のことをどうやって调べるのでしょうか？

齐：実は、宇宙からやってくる光を調べることで分かるんです。光の速度が有限だという話をご存知でしょうか？
光年という単位がありますが、これは光で１年かかる距离という意味です。つまり、1光年离れた天体から光を受け取った时、その光は1年前に天体から放たれたものだということです。

光の速度は非常に速いので、光が届くまでに时间が掛かることを日常で実感することはないと思いますが、例えば太阳から我々に光が届くまでに８分程度の时间がかかります。つまり、我々は８分前の太阳を见ていることになります。

もう少し身近な例として、雷はピカって光ってから音が遅れて闻こえてきますよね。あれは光の速度に比べて音の速さが非常に遅いためです。我々が闻いている雷の音は、今起こった雷の音ではなくて、（距离）/（音速）だけ前の时间に起こった雷の音を闻いていることになります。远くで起こった雷ほど稲光に対して音が遅れて闻こえる。つまり「远く＝过去」ということです。
要するに光も一绪で、远くのものを见れば见るほど、过去の宇宙の姿を见ることができるのです。宇宙论では个々の天体を调べる訳ではありませんが、过去の宇宙からやってくる様々な光を调べることで宇宙の発展について知ることができます。

宇宙最古の光

イ：过去の宇宙の姿を见ることができる光とは具体的にはどんなものですか？

齐：過去の宇宙を調べる方法はいくつかあるんですが、最も遠くからやってくる光が『宇宙マイクロ波背景放射』というものです。現在の宇宙は138亿歳と言われているのですが、『宇宙マイクロ波背景放射』は宇宙诞生后38万年顷に放たれた光であると考えられています。

イ：え！それは随分昔のものですね。

齐：はい。太陽系の誕生が宇宙誕生後90亿年くらいと言われていますので、それと比べても非常に昔の宇宙から来た光ですね。宇宙に星が诞生するよりもずっと前の宇宙から来た光です。我々が见ることのできる宇宙最古の光であると言われています。

38万年顷に放たれた光と言いましたが、その顷の宇宙は现在とは全く违う姿をしていました。温度が高くて原子は原子核と电子が电离したプラズマ状态になっていたため、光は电子に邪魔されて直进できなかったんです。例えるなら、曇り空の様に云に阻まれて太阳の光が届かないイメージですかね。
それが、膨张と共に宇宙の温度が徐々に下がってきて电离していた电子が原子核に捕获されて、それまで电子に邪魔されていた光が真っ直ぐに进めるようになります。云がパッと晴れた様に、宇宙が透明になったんです。これを「宇宙の晴れ上がり」と言います。自由になった光が宇宙を満たし、それから138亿年経った现在『宇宙マイクロ波背景放射』として観测されています。
この光を详しく调べることで、初期の宇宙について様々なことが分かってきます。

イ：その『宇宙マイクロ波背景放射』を见ることができるのですか？

齐：そうですね。マイクロ波というのは電子レンジでも使われているGHzくらいの周波数を持つ光（电磁波）なのですが、それを受信できるアンテナを使って検出されています。1964年にペンジアスとウィルソンという人によって初めて検出され、1990年ごろから卫星を打ち上げて宇宙での観测も行われています。

夜空というと、暗闇の中にまばらに星が光っているというイメージがあると思います。しかし、我々の目では见えないマイクロ波帯あたりで観测してみると、空のあらゆる方向から光がやってくることが知られていて、これが『宇宙マイクロ波背景放射』です。

実际、このやってくる光の周波数ごとの光の强さを调べると、ちょうど热いものから出てくる光と同じ特徴を持っています。热した物质から出てくる光を黒体放射と言います。黒体放射の周波数ごとの强さは、出した物质の组成に関係なく、温度だけで决まっていることが知られています。『宇宙マイクロ波背景放射』の周波数ごとの强さを测ってみると、絶対温度2.7K（ケルビン）の黒体放射と非常に似た形をしていました。これが空のあらゆる方向からやってくるということは、宇宙があるとき热い状态にあったということを示しています。

さらにそれだけではなくて、『宇宙マイクロ波背景放射』の方向ごとの温度を非常に详しく调べてみると、ちょっと热いところとかちょっと冷たいところがあります。これが実际に観测された方向ごとの温度です。

図 ：宇宙マイクロ波背景放射の温度マップ（ESA and the Planck Collaboration）

齐：赤いところは温度が高くて、青いところは温度が低いことを表しています。違いは2.7Kに対して10万分の1くらいと非常に小さなものです。この非常に小さな温度のばらつきは、初期宇宙の物质分布の“むら”に対応していると考えられています。宇宙论では、この“むら”のことを「ゆらぎ」とも言います。この『宇宙マイクロ波背景放射』に见られる「温度ゆらぎ」は、宇宙のたくさんの情报を含んでいます。

详しく调べると、宇宙が何でできているのか？ということも分かってきます。

宇宙は何からできている？

齐：我々の体は原子でできていますよね。それと同じように、宇宙を満たしている物質がどういう構成要素でできているのか？ということです。構成要素を調べた結果、非常に驚くべきことが分かりました。現在の宇宙は原子だけではなく、我々が全く知らない未知の物質でできているということが判明したんです。名前だけでも聞いたことがあるでしょうか？「暗黒物質」というものです。

イ：はじめて闻きました。「暗黒」と闻くと何だか怖いものを想像してしまいますね。

齐：自分では光らない物質なので、そのように呼ばれています。また、単純に何だか分からない物質という意味もあります。さらに、「暗黒エネルギー」というものも存在していて、これも正体不明のものです。宇宙は我々の知っている原子などの物質が5％で、残りの95％は目に见えない正体不明の「何か」でできているということが分かっています。 （図：宇宙の构成物の割合）

暗黒物质や暗黒エネルギーのような正体不明な「何か」があることは确からしいのですが、ではその正体は何か？というと未だに分かっていません。それを明らかにしたいと思って研究しています。特に暗黒物质や暗黒エネルギーの候补はいろいろと提案されているのですが、それらを実験や観测データを使って、どうやって検証すればよいかを研究しています。

イ：どのようにして、その正体不明のものがあるということが分かるのでしょうか？

齐：暗黒物質は光らないので見えないのですが、重力を持っていて物を引きつけます。そういった光らないけれど物を引きつけるような物質があるという観測的な証拠がいくつか見つかっています。

Image credit: Mario De Leo / CC BY-SA 4.0（一部改変）

例えば、有名なものとしては、银河の回転速度の问题があります。物をぐるぐると回し続けるためには、远心力で飞んでいかないように内侧に引っ张っておく必要があります。地球が公転轨道にとどまれるのは、中心にある太阳が地球を重力で内侧に引きつけているからです。これを银河に当てはめてみると、もし银河が星やガスなどの光る物质のみで构成されているとすると、光っている部分から远ざかるにつれて、回転速度は下がっていくはずです。银河の周縁部では、内侧に引きつける重力が弱くなっているはずだからです。しかし、実际に観测してみると、回転速度は下がらずほぼ一定でした。
これは、银河には光らない物を引きつける物质、つまり暗黒物质があることを示唆しています。

また、暗黒物质は宇宙の构造の进化にも深く関わっていると考えられています。『宇宙マイクロ波背景放射』の「温度ゆらぎ」の観测から、初期の宇宙はもっと一様でのっぺりとしたものだったことが分かっています。
『宇宙マイクロ波背景放射』の方向ごとの「温度ゆらぎ」は、初期宇宙の物质分布にあった「密度ゆらぎ」を反映したものです。
「温度ゆらぎ」は10万分の１程度と非常に小さなものでしたが、それに対応して宇宙初期の物质分布にも非常に小さな「密度ゆらぎ」しかありませんでした。（図：10万分の1だけ温度に「ばらつき」がある）
この小さな「密度ゆらぎ」が重力で周囲の物质を引きつけて成长し、宇宙のさまざまな构造が形成されたと考えられています。

その様子がコンピュータ上でシミューレションもされていて、小さな「密度ゆらぎ」が成长して块をつくっていく様子を映像で见ることができます

齐：この「密度ゆらぎ」の成長を理論的に調べてみると、暗黒物質の働きがなければ、宇宙初期の小さな「密度ゆらぎ」が銀河を形成するほどまでに成長することはなかったということが分かります。

つまり、暗黒物质がなければ、我々も存在しなかったと言えます。

イ：暗黒物质は私たちに大きく関係しているんですね。

宇宙を构成する成分の7割を占めている「暗黒エネルギー」とは？

齐：暗黒エネルギーはたくさんの証拠があるわけではないのですが、現在の宇宙の「膨張率」の観測から、その存在が示唆されています。最初の方に少しお話ししましたが、一般相対性理論によれば時空の歪みと物質がつくる重力には深い関わりがあります。宇宙がどう膨張するかは宇宙がどういう物質でできているかで変わってきます。きちんとお話しするのは難しいのですが???、重力は引力なので、宇宙の膨張を減速させる働きがあります。ですが、実際の観測では宇宙の膨張は加速しているということが分かったんです。

イ：膨张の速度が遅くなるどころか、どんどんスピードが速くなっているということですか？

齐：そうですね。イメージで言うと、ボールを上に放り投げた時、地球の重力によって減速されて戻ってきますよね。しかし、宇宙膨張の速度が現在加速しているというのは、放り投げたボールはどんどんと速度を上げながら空に登っていくようなものです。不思議ですよね。

この不思议な现象は、现在の我々の知っている物理理论では理解することができないんです。考えられる一つとして、例えば宇宙が斥力を発生させるような物质で満たされているのであれば説明できます。宇宙の加速膨张を引き起こす、この仮想的な物质が「暗黒エネルギー」です。

斥力を発生させるということ以外はよく分からない物质で、「暗黒」は正体不明という意味です。「エネルギー」と言っているのは、宇宙论では「物质」は日常で使うより限定された意味で使われるので、それと区别するためだと思ってください。

また、别のアプローチとして、宇宙では重力法则が地球上とは异なっているとする説もあります。これは修正重力理论と呼ばれていて、私はこの修正重力理论をどうやって検証すればよいかという研究を最近はしています。

重力法则を修正すると言っても好き胜手にやっていいわけではなくて、さまざまな理论的?観测的な制约があります。その制约を満たしつつ、加速膨张を説明できる修正重力理论があるのか调べています。また、重力は万有引力と言われるくらいなので、さまざまな现象に関わっています。そうした重力が関わる现象を详しく调べることで、重力法则が我々の知っているものと违う兆候がないかを探しています。

もしかしたら、身近に加速膨张の起源に迫るヒントが隠されているなんてこともあるかもしれませんね。

インフレーション

齐：もうひとつ、私がやっている研究テーマとして、インフレーションというものがあります。
インフレーションとは、宇宙のはじめの方に起きたと考えられている加速膨张のことです。

イ：宇宙の始まりの时点の话ですか？

齐：はい。宇宙が始まった直後ぐらいの話です。
急激な膨张が起きて、とても小さかった宇宙が一瞬のうちに数十桁も大きくなったと考えられています。その加速膨张がインフレーションです。（図：宇宙の极初期に加速度的に急膨张（仮説））
まだ起こったという确かな証拠はないのですが、インフレーションが起こったとすると现在の宇宙に见られるいくつかの不自然な点を説明することできます。
それだけではなくて、インフレーションが起こると、先ほどのお话で出てきた、构造の起源である宇宙初期の「密度ゆらぎ」が自然に生成されます。これもきちんと説明しようとすると难しいのですが、インフレーションのような急激な膨张が起こると、原子のサイズより遥かに小さいミクロなスケールがマクロなスケールまで引き延ばされます。

ミクロなスケールは量子力学で记述されていて、不确定性原理で密度が揺らいでいます。この揺らぎがマクロなスケールに引き延ばされて、构造の起源になる「密度ゆらぎ」になったというシナリオです。なんとも信じがたい话ですが、宇宙マイクロ波背景放射の「温度ゆらぎ」に见られるいくつかの特徴をインフレーションは自然に説明することができて、多くの研究者がインフレーションを支持しています。
ただ、确かに起こったとは言えませんし、どうやって起こったかについてもまだ分からないことが多いんです。

光で见ることのできない晴れ上がりよりずっと以前の宇宙のことで、なかなか调べるのは难しいのですが、重要な手がかりになると考えられているのが「原始重力波」です。

イ：原始重力波？初めて闻きました。それは一体何ですか？

齐：重力波というのは最近（2016年）はじめて検出されたとニュースになったのでご存知かもしれませんが、空间の歪みが波の形で伝わる现象です。インフレーションは先ほどの「密度揺らぎ」と同様の原理で、重力波も生み出すことが予想されます。これが「原始重力波」です。重力波は光（电磁波）と违って、晴れ上がり以前の宇宙でもプラズマに散乱されずに进みます。そのため、初期宇宙の情报がほぼそのまま我々に届くので、もし原始重力波が検出されれば、インフレーションが起こった大きな証拠になりますし、その详细を调べるうえでも重要な情报源になるはずです。

まだ见つかっていませんが、计画中のものも含めて様々な観测プロジェクトが进められています。私自身は、原始重力波といった「ゆらぎ」の発展を调べる方法の开発など、観测结果から初期宇宙の情报を引き出すために必要になる理论的道具立てをする研究をしています。

原始重力波が検出されれば、インフレーションの顷の宇宙の情报を知る手掛かりになる！

宇宙は「ビックバン」で诞生したのではない？

齐：ビッグバンと言ったとき、文字通りには宇宙の本当のはじまりのことを指すと思います。ただ、はっきりとした定義があるのか私にはちょっと分からないのですが、研究者が「ビッグバン理論」と言う時には、そこまでのことはおそらく言っていません。遡ると宇宙は高温高密度の状態だったという意味で使っていると思います。初期宇宙がそういった状態であったということは、宇宙マイクロ波背景放射の観測によって確かめられています。

イ：热い宇宙から始まったということ自体は确定である。ということですね。

齐：はい、現在ではほとんどの研究者がそう考えています。その熱い宇宙の前の話がインフレーションです。

今后の宇宙は？

イ：なんだかものすごくスケールの大きい世界で、惊きました。広がり続ける宇宙も、时间の遡り方も想像できないというか???。

齐：そうですね。自分で研究していてもなかなか想像もできてなかったりします。

イ：宇宙はどんどん広がり続けますか？そろそろ止まりそうだって话はないのでしょうか？

齐：それは分からないです。

宇宙が将来どのように进化していくかは、现在の加速膨张がどうやって起こっているか、つまり暗黒エネルギーの正体が何かに依ります。
そこはまだ分かっていないので正确なことは言えないのですが、いろいろな提案はあって、宇宙定数というものが标準的によく考えられます。宇宙定数が物理的にどういうものかはまだきちんとは分かっていないのですが、膨张しても薄まらないという性质があります。
もし暗黒エネルギーがこの宇宙定数のように薄まらないようなものだとすると、宇宙はこのままずっと加速しながら膨张し続けていくはずです。?

イ：宇宙が溃れて无くならない事を切に愿います。

何を使って研究をしているのですか？

イ：宇宙は过去の话なので行って确かめるってことはさすがにできないわけですよね。実际にものを调べるわけではないということは、全て理论と计算でそれが成功しているか？合っているかどうかを确认するという作业をされているということですか？

齐：理論計算を観測?実験と比較するところは、他の物理分野と変わりません。ただ、宇宙の研究に特有な点として、他の分野だと理論を検証するのに理想的な条件を整えて実験したりできるのですが、宇宙の研究ではそれはできません。観測を行う、見るのが基本です。考古学とか歴史を研究する分野はみなそうだと思うのですが、これを確かめたい！と思っても、それに必要なデータが必ずしも十分に手に入るとは限りません。また、手に入った観測データにも様々な信号が混ざっていますし、そもそも何を見れば理論の検証ができるかも自明ではありません。観測データと理論の欲しい情報との間にはギャップがあります。その観測と理論のギャップを橋渡しするような研究を私はしていますね。

イ：では先生の研究に必要な道具とは？

齐：特別な道具は必要ないです。基本的には紙と鉛筆があればできることですが、人間のできる計算量とかにも限界があるのでパソコン等を使うことはあります。?

子供の顷から宇宙に兴味があった？

齐：宇宙が入り口というよりも物理が好きで、この世界に入りました。

もともと理科や自然は好きだったのですが、中学生の终わりぐらいに、物理学者のハイゼンベルクという人の伝记のような本をたまたま読んだことが物理の世界に兴味を持って自分から调べ始めるきっかけだったと思います。今から100年くらい前の量子力学创世记の话だったのですが、そこに出てくる物理学者がみな魅力的に感じたんです。立场関係なく、意见をぶつけ合いながら新しいものを発见していく姿がとても魅力的で、自分もやってみたいなと思いました。それから図书馆に行って物理関係の本を色々読んだりして、勉强を始めました。それが中学の终わり顷から高校までの间です。でも、その时はまだ别に研究者になりたいというか、なれるとは思ってなくて、ただ面白くて勉强を続けていました。ひとまずしっかり勉强したいなと思って、物理ができる大学へ行きました。

イ：では、宇宙を専门とした勉强をやり始めたのはいつ顷ですか？

齐：それは、大学院に入る時ぐらいです。理論が好きだというのはあったのですが、自分でただ興味をもって勉強していた頃はどういう分野があるかも知りませんでしたし、細かい分野などは気にしていませんでした。研究者になったら細かい分野を研究するっていう認識もなく、広く興味をもって勉強していました。

でも、大学院に入るとなると、研究室を选ばなければならなくて、そうすると兴味を绞らなければならない。どうしようかな？と思っていた时に研究室绍介があって、その时に先生が话していた宇宙の话が面白くて宇宙を选んだのが始まりですね。その时の话がこの『宇宙マイクロ波背景放射』の话だったんです。

イ：その时に『宇宙マイクロ波背景放射』に出会ったのですね。

齐：はい、そうですね。その時はまだ私も、昔のことが本当に分かるのか？と思っていたんです。確認の仕様がないんじゃないのかって。でも、話を聞いてみると、確かに難しいのですが色々なことが分かってきていますし、まだまだ分かっていないことがたくさんある。面白い分野だなと思ってやりたいと思いました。

イ：昔から宇宙が好きで宇宙に行ってみたいって思っていたのかと思いました。

齐：いや、全然そんなことはないです。星の名前とかも知らないですし。宇宙に行ってみたいという気持ちは人並みにはあります。そこは普通の人と変わらないです。

イ：今日は不思议な宇宙の话が闻けて、とても面白かったです。もっとたくさんの人が「宇宙」に兴味を持っていただけたら嬉しいですね。

齐：そうですね。宇宙にはまだまだ分からない事がいっぱいあります。もしこのインタビューを読んで興味を持ってくれた人がいたら、自分でどんどん調べてみてくれたら嬉しいですね。

イ：长时间のインタビューにお付き合いいただき、ありがとうございました。

インタビュー日：2021年7月13日