宇宙の膨張について

質問

宇宙が膨張していのは、宇宙空間が膨張していると言われてますが、それは、どのようにして宇宙空間が膨張しているのですか？
また、なぜ銀河が宇宙空間の膨張で引っ張られているのかそのメカニズムは、どういうふうになっているのでしょうか？

ビックバンの影響やダークエネルギー以外の説明でお願いいたします。

回答No.10

Nakay702 · ベストアンサー

質問者からの補足を拝見しました。

＞今の銀河の観測（赤方偏移）ついてふと思ったのは、その観測はすべて、地球から観測したものですよね。それでわが銀河は宇宙の中心かといえば、違うらしいです。 宇宙のどの銀河からみても同じように見えるらしいということですです。
⇒以前、天文学者のグループが、宇宙を扇形に切り取って遠方銀河の分布状況を観察記録したことがありましたね。超銀河団の密集状況やフィラメント、ボイドの存在など、つまり、大宇宙の構造が分かり、「宇宙の泡構造」と呼ばれました。

＞例えば、１０億光年、５０億光年さきの銀河から我々の銀河を観測した場合（光が届いたと仮定して）ハップルの法則にそった運動をしてますか？していませんよね それで宇宙は本当に膨張しているのかな？思ったわけですよ。誰もこのことについて触れてはいません。
⇒なるほど、ご趣旨はよく分かります。
ただ、上のような観測に携わった天文学者は、銀河分布や大宇宙構造の観測記録から推測される宇宙のフラクタル的状況を把握しました。それで、外挿法的推理によって、別の天体から我々の銀河を観測した場合も、我々の側から見たのと同じような状況や数値が得られるに違いないと推断していました。

＞私の疑問は次のあなたの回答で終わりにしたいと思います。長い間色々とありがとうございました。
⇒了解しました。回答を考えながら楽しませていただきました。宇宙を考えるよい刺激になりました。こちらこそ、どうもありがとうございました。

お礼

ありがとうございました。

回答No.9

Nakay702

質問者からのお礼と補足をありがとうございました。
＞この質問は、いまの学会では、あなたの言うように定説はないのだと思います。
⇒残念ながら、それが実態のようですね。

＞私は、ビックバン理論を否定してます。どちらかといえば 定常宇宙論を支持しています。
⇒初期のアインシュタインも定常宇宙論を論拠づけるために宇宙項（引力に対応する斥力）を想定ようとして挫折し、のちに「生涯最大の不作」と述懐したとか。

定常宇宙論だと私の質問などはない、そんなこと起こらないとされていています。 例えば、今の宇宙論（ビックバン理論）では、目に見えてる物質は５％、目に見えない残りの物質やエネルギーは９５％と言われています。これを私は、信じられません。 ビックバン理論や定常宇宙論どちらも欠点があります。 どちらかを支持していてもそれは、人それぞれですから押し付けようとも思いません。
⇒同感です。みずから見分も測定もできないからには、確信も主張も敵わないわけですからね。

＞ビックバン理論のほうが圧倒的に多いです。
⇒信憑性の有無はともかく、これまでで最も面白かったスパコンによる「ビックバン理論のシュミレーション」（全米スーパーコンピューター応用センター所長のラリー・スマーによるビッグバン・シュミレーション報告）。一部（特に、後半）私の想像も混ざり込んでいます。

A．ビッグバン：（１）ビッグバンの瞬間から10^－36秒後、温度は百兆度の百兆倍。大きさ１cm^2。クオークと反クオークとが衝突すると二個のフォトンができ、二個のフォトン同士が衝突するとクオークと反クオークの対ができる。（２）10^－34秒後、温度は十兆度の百兆倍。もはやフォトン同士が衝突してもクオークは生まれない。クオークと反クオークとの衝突によってフォトンは生まれ続けるが、クオークが反クオークよりも多いので、クオークが残り、物質の元になる。（３）10^－5秒後、温度は一兆度。クオークから陽子や中性子ができる。（４）三分後。温度は十億度。陽子や中性子が合体して水素やヘリウムの原子核ができる。
B．宇宙のはれ上がり：ビッグバンから十万年後。温度は四千度。電子が原子核に取り込まれて水素やヘリウムができる。それまで進路を妨害されていたフォトンが自由に飛び回るようになり、宇宙が膨張する。
C．銀河の形成：ビッグバンの十億年後くらいから銀河がつくられる。銀河は初めガス状で、回転しながら集まって中心（ブラックホールなどの高質量域）が形成される。たくさんの銀河ができて、互いに拡散し続ける。各銀河は互いに引力を及ぼし合いながら運動を続け、次第に「蜂の巣」状に分布していく。交点に当たるところでは強大なブラックホールができ、グレート・アトラクターとなって周辺銀河を吸収する。（現在、我々の銀河は乙女座方向のグレート・アトラクターに引き寄せられて、秒速六百kmで接近しているという。）なお、現在の宇宙はビッグバンの後百数十億年とされている。（脱線になるが、絶対に曲がらない高速ロケットで宇宙空間を直進するとしよう。ロケットはどう進むか。宇宙の外へ飛び出すのか？　否。時空の曲がりに沿って「直進」し、巡り巡って戻ってくることになると推測される。もし高速を超える速度で進むことができれば、時空の引力を振り切ることも可能かも知れないが、その時はロケット自体が単独の「小宇宙」を形成することになると思われる。）
Ｄ．膨張運動の停止(?)：ベル研究所のアンソニー・タイソンは、光の曲がり方を分析して、ダークマター（暗黒物質）を初めて確認した。彼によると宇宙に存在するダークマターは、目に見えるものの十倍以上と計算されると言う。つまり、我々の観測しているものは全体の一割にも満たないのである。現在、宇宙は加速度をつけながら膨張しつつあるとされるが、莫大なダークマターの存在がその膨張を停止させるのに必要な物質の密度（臨界密度）が充分満たされていることが証明されたことになる。これにより、今まで不明とされていた「永久膨張論」は廃棄されることになる。つまり、膨張はいずれ減速に転じ、停止へ向かうときがくるというのである。ホーキング（ケンブリッヂ大）も、「今から数十億年後には膨張運動は停止し、収束が始まる」と言った。
Ｅ．宇宙の収束(?)：もし宇宙膨張が停止し、収縮に転じると、その運動速度は、当然ながら最初遅くだんだん速くなる。その過程では、銀河やブラックホール同士の吸収合体が繰り返されるであろう。したがって、我々の天の川銀河も遅かれ早かれ大小マゼラン銀河やアンドロメダ銀河と合体しているに違いない。こうして蜂の巣状に分布する銀河は交点に集結してゆくと同時に、その交点間の距離も縮まってグレートウオールが形成されていく。
Ｆ．一点への収縮：現在、白鳥座X1のブラックホールに落ち込む星の速度は秒速3万と言われる。宇宙全体が一点に向かって収縮する場合の中心的ブラックホールはさらに強力だから、そこへ落ち込む銀河や星はさらに速く、光速に近い速度になるのかも知れない。最終的には、すべてが10^－23mmの一点に凝集し、想像を絶するような強力なエネルギーの塊と化してビッグクランチし、次回のビッグバン、次代の宇宙、別の（同じかも知れない）物理定数を持つ新しい時空が誕生する…。

お礼

本当に色々な回答ありがとうございます。
次のあなたの回答で終わりしたいと思います。

補足

最後になぜ、宇宙が膨張していることに疑問を持ったことを書きたいと思います。
今の銀河の観測（赤方偏移）ついてふと思ったのは、その観測はすべて、地球から観測したものですよね。それでわが銀河は宇宙の中心かといえば、違うらしいです。
宇宙のどの銀河からみても同じように見えるらしいということですです。
例えば、１０億光年、５０億光年さきの銀河から我々の銀河を観測した場合（光が届いたと仮定して）ハップルの法則にそった運動をしてますか？していませんよね
それで宇宙は本当に膨張しているのかな？思ったわけですよ。誰もこのことについて触れてはいません。

私の疑問は次のあなたの回答で終わりにしたいと思います。長い間色々とありがとうございました。

回答No.8

Nakay702

質問者からのお礼をありがとうございました。

その後（今日）物の本をパラパラ見ていましたら、
膨張宇宙の後退速度の公式：v=H₀r が目にとまりました。

これで、ハタと思ったことは、H（ハッブル定数）はともかく、r（距離）に比例して膨張速度が大きくなるということ、すなわち、遠方にある銀河ほど遠ざかる速度も速いということが分かりました。

といっても、それでは、その原動力は何かと問われるなら、依然、想像できません。おそらく学会でも定説はないのだと思います。長年放送大学の天文学科目（「進化する宇宙」「宇宙像の変遷」「太陽系の科学」など）を受講していましたが、確かその中で、「宇宙を膨張させるエネルギーはいまだ謎で、それゆえダークエネルギーを想定せざるを得ない」というような説明があったように記憶しています。

お礼

回答ありがとうございます。

補足

ハップルの法則で私の質問の意味がわかってくれてありがたいです。
この質問は、いまの学会では、あなたの言うように定説はないのだと思います。

こんな質問していても、私自身、宇宙空間が膨張していることに疑問に思っています。
私は、ビックバン理論を否定してます。どちらかといえば
定常宇宙論を支持しています。
定常宇宙論だと私の質問などはない、そんなこと起こらないとされていています。
例えば、今の宇宙論（ビックバン理論）では、目に見えてる物質は５％、目に見えない残りの物質やエネルギーは９５％と言われています。これを私は、信じられません。

ビックバン理論や定常宇宙論どちらも欠点があります。
どちらかを支持していてもそれは、人それぞれですから押し付けようとも思いません。
だだ、ビックバン理論のほうが圧倒的に多いです。

回答No.7

Nakay702

せっかくですが、浅学の私としてはこれ以上語れることはありません。相対論、宇宙進化、膨張宇宙、量子重力、光と重力、宇宙の未解明問題などを扱った文献がたくさん出ていますので、どうぞご自分で探求なさってみてください。

お礼

色々な回答ありがとうございました。

回答No.6

Nakay702

＞あなたの意見では、銀河が動くことによって宇宙空間が膨張するということでよろしいでしょうか。 それならなぜ、近くの銀河と遠くの銀河では、後退速度が違うのでしょうか？
⇒私の意見ではありません。相対論による説明を受け売りしただけです。ですから、あなたのお尋ねは、私には答えられません。ただ、以前、大阪大学の天文学教授が、格子模様に乗る銀河をモデルにして、「（当該銀河と我々の銀河との間の）距離が２倍になると、遠ざかる速度も２倍になる」という説明をしていました。

補足

では、銀河が動くことによって宇宙空間が膨張するにことの説明を相対論による説明を詳しく教えてください。
説明を受け売りだけでいいですから。

近くの銀河と遠くの銀河では、後退速度が違うのでしょうか？
これに対しての私なりの考えなんですが、
銀河の運動だけでは、説明できないですよね？
宇宙空間が膨張してそれによって銀河も移動していると思っています。
いろんな意見も受付ますよ。
格子模様に乗る銀河とはどのようにして距離が２倍になるんですか？　また、これも大阪大学の天文学教授の説明を受け売りしただけです。わかりません。といいそうですね。

回答No.5

Nakay702

＞私が知りたいのは 宇宙空間が膨張したら、なぜ、銀河も空間と一緒に移動するかということです。
⇒実態は、「宇宙空間が膨張するから、銀河が移動する」のではないらしいです。ベクトルが逆らしいです。アインシュタインの「相対論的力学」は、ニュートンあたりまでの「ユークリッド幾何学」の見方を逆転しました。
ニュートン力学の考え方では、宇宙という容器（ユークリッド幾何空間）が先にあって、そこにリンゴが入るので、「たとえリンゴがなくても空間はそのままの状態で存続する」ということになります。他方、相対論的力学の考え方では、まずリンゴがあって、その質量とエネルギーによって宇宙という容器（リーマン空間）ができるので、「もしリンゴがなくなれば同時に空間も消滅する」ということになります。
つまり、「ニュートン力学」では、「もし、この宇宙を（消滅させる事ができるとして）消滅させたなら、宇宙を存知させていた無のスペース（空っぽの箱）が残る」ということになりますが、他方、アインシュタインの相対論的力学では、宇宙の中身があってはじめて外枠ができるのであって、その中身（質量・エネルギー）がなくなれば同時にその箱（という宇宙枠）も消滅する」ということになります。
ということは、上述したことを繰り返しますが、「宇宙空間が膨張するから、銀河が移動する」のでなく、「銀河など（もっと正確に言えば、「質量というエネルギー」）がうごめくことによって、宇宙空間が（宇宙の今の変化段階では）膨張している」ということのようです。「では、なぜ銀河などうごめくと宇宙空間が膨張するのか」は、私には分かりません。それは、「なぜ宇宙が存在するのか」というのと同じくらい、答えようのない問いかもしれません。

補足

わかりました。
あなたの意見では、銀河が動くことによって宇宙空間が膨張するということでよろしいでしょうか。
それならなぜ、近くの銀河と遠くの銀河では、後退速度が違うのでしょうか？
（同じ大きさの銀河として）
ハップルの法則によれば、遠くの銀河ほど後退速度が早くなっています。
あなたのいう
銀河の運動だけでこれを説明できますか？
光速に近い速度で後退している銀河のエネルギーはどこからきてますか？銀河の質量だけでできますか？

回答No.4

Nakay702

質問者からの補足を拝見しました。

＞私が教えてほしいのはどうして宇宙空間が膨張したら銀河も一緒に移動するということですよ。
⇒格子模様の中の任意の２点にAとBがあるとします。もし、格子の縦横の幅が２倍になれば、AB間の距離も２倍になる。つまり、このABを宇宙にある任意の２つの銀河考えれば、宇宙空間が膨張したら銀河同士も相互に離れる、ということの説明になります。
以上が、現代天文学の説明するところです。また、かつて別の天文学者は、「風船をふくらますと、最初に描いた文字や絵柄がフラクタル状（相似形）のまま大きくなるのと、原理的には同じです」と説明していました。

補足

まだ、私の質問の意味をわかってないようですね。
銀河同士も相互に離れるということでないんですよ。
宇宙空間が膨張したら銀河もその空間となぜ、一緒に移動するのかいうことなんですよね？
例えば、風船を膨らませると、印をしたところは、移動しますよね。移動する原因は、空気をいれて風船を大きく膨らませることによるものですですよね。
この場合は、風船の膜に乗って移動しますよね、これを宇宙空間に当てはめてみた場合どうなりますか？
膜のない銀河はどのようにして移動するのかということですよ。
私が知りたいのは
宇宙空間が膨張したら、なぜ、銀河も空間と一緒に移動するかということです。

回答No.3

bardfish

宇宙の膨張は観測された事実ではなく、観測結果と理論演算からそうでないとこういう結果にはならない･･･と言うところから出たモノだったと思います。

ブラックホールの存在にしても、元々は恒星の大きさと重力の関係を計算で証明しようとした学者が理論的に発見したモノです。
アインシュタインが相対性理論を発表して割とすぐの時代だったかな？
で、実際にブラックホールであるとかなり高い確率の天体が発見されたのが最近の事。

と言う事で、宇宙膨張のメカニズムまではわからないというのが現実です。
サイエンスフィクションであれば我々が存在している宇宙の外側を描いたドラマや映画はあったかと･･･論文の中の引き合いとして登場したモノを含めればいくつかあったと思います。

お礼

ご意見ありがとうございます！

回答No.2

Nakay702

以下のとおりお答えします。

＞宇宙が膨張していのは、宇宙空間が膨張していると言われてますが、それは、どのようにして宇宙空間が膨張しているのですか？
⇒「我々の天の川銀河から見ると他の諸銀河が遠のいている」という観測結果から宇宙空間が膨張している、しかもその速度が加速しているらしいということが分かった、ということです。ただ、その原因は分かりません。「原因が分からないから、ダークエネルギーを想定せざるを得ない」、ということだと思います。

＞また、なぜ銀河が宇宙空間の膨張で引っ張られているのかそのメカニズムは、どういうふうになっているのでしょうか？ ビックバンの影響やダークエネルギー以外の説明でお願いいたします。
⇒それは銀河（の質量）の引力で銀河同士が互いに引き合う力が作用し、それによって互いが近づき合う結果一方の銀河から見れば相手に引っ張られるように見える、というカラクリによります。事実、局所銀河群の内部では、例えば、我々の天の川銀河とアンドロメダ銀河とは、何と秒速95 kmもの速さで接近しき合っているそうです。（『現代天文学小事典』、講談社刊参照）

補足

私が教えてほしいのは、銀河（の質量）の引力で銀河同士が互いに引き合う力が作用しているというこでではなく
なぜ、銀河が空間と一緒に移動しているのかであってということです。天の川銀河とアンドロメダ銀河が接近しよが、離れようが、それは銀河の引力であってそうなってることですよね？
だから、私が教えてほしいのはどうして宇宙空間が膨張したら銀河も一緒に移動するということですよ。

回答No.1

nagata2017

ビッグバンの爆発による膨張の勢いが慣性の法則で継続しているからでしょうか。
真空の宇宙空間では　空気抵抗などもないので。