宇宙の膨張についての疑問

質問

宇宙はビッグバン以降膨張し続けていて、今でも膨張を続けていると言われています。

　ただ素人考えでは、そのためのエネルギーはどこから来ているのでしょうか。膨大な広さの宇宙空間そのものを膨張させるだけのエネルギーが何なのか知りたいです。ビッグバンの時の爆発エネルギーがいまだに存在していて、それがエネルギーだとしたら、いまだにビッグバンが終わっていないということになります。

　それに膨張を続けているということは銀河同士の距離や、その中にある星同士の距離も遠ざかっていることになると思います。
そうなると地球も他の太陽系の星たちからも遠ざかっているはずです。実際に、例えば太陽と地球の距離やもっと近ければ地球と月の距離は遠ざかっているのでしょうか。それが証明できれば宇宙が膨張していることがハッキリするし、逆に縮まっていれば宇宙の膨張が終わって逆に収縮に向かっていることになると思います。

　現代の技術で何億光年先の星まで見えるのか知りませんが、もし今まで見えていた星が見えづらくなってきたり見えなくなったら、それも宇宙の膨張を証明する理論になるのではないでしょうか。

　素人の単純な疑問ですが、宇宙が膨張していることが何で分かるのか、そのためのエネルギーは何なのか知りたいです。
よろしくお願いします。

回答No.4

Nakay702 · ベストアンサー

以下のとおりお答えします。

＞宇宙はビッグバン以降膨張し続けていて、今でも膨張を続けていると言われています。ただ素人考えでは、そのためのエネルギーはどこから来ているのでしょうか。膨大な広さの宇宙空間そのものを膨張させるだけのエネルギーが何なのか知りたいです。
⇒確かに、現在宇宙は加速膨張している、というのが定説になっています。ただ、その動因としてのエネルギーが何であるかについては、最新の現代天文学にとっても謎と言われています。正体が全然分からないので、「ダーク（暗黒）エネルギー」と呼んでいます。かつては、「宇宙膨張の宇宙規模での斥力」、「宇宙項」、「陽子と電子の荷電差による電気的斥力」などの説が出されましたが、いずれも宇宙膨張の原動力が何であるかの説明はできませんでした。

＞ビッグバンの時の爆発エネルギーがいまだに存在していて、それがエネルギーだとしたら、いまだにビッグバンが終わっていないということになります。それに膨張を続けているということは銀河同士の距離や、その中にある星同士の距離も遠ざかっていることになると思います。
⇒お説のほどはよく分ります。一般常識的に考えれば、誠におっしゃるとおりです。ただ、天文学上「宇宙空間が膨張する」と言うとき、その宇宙空間とは、宇宙の大構造における「ボイド」と呼ばれる、広大で冷たく、ほぼ真空に近い空間部分のことをいいます。宇宙全体が均等に膨張するのでなく、宇宙の一部（ボイド）が拡張し、別の部分（銀河・銀河群・銀河団などの間）は逆に縮むのです。
例えば、幅10cm間隔の格子模様の一角に体長１cmのアリがいる場面を想定してください。もし、格子の幅が20cmに伸びたとすれば、そのときアリの体長が２cmになるなら、普通に想像されるのと同じ膨張（風船を膨らますと表面の絵も伸びる）ということになりますが、実はそうなりません。格子幅が20cmになっても、アリの体長は依然１cmのままなのです。この大宇宙では、銀河の単位までがそのアリと同じで、宇宙が膨張しても銀河自体は膨らんだりしません。ということは、銀河同士は互いに近づき合い、大銀河団やその繋がりのグレートウオールは次第に密集していく一方、何もないような空間部分は逆に拡散していく、というのが膨張宇宙の実像です。

＞そうなると地球も他の太陽系の星たちからも遠ざかっているはずです。実際に、例えば太陽と地球の距離やもっと近ければ地球と月の距離は遠ざかっているのでしょうか。それが証明できれば宇宙が膨張していることがハッキリするし、逆に縮まっていれば宇宙の膨張が終わって逆に収縮に向かっていることになると思います。
⇒上で述べたとおり、（太陽系を含む）銀河同士は互いに近づき合いますが、それは銀河自体の持つ重力・引力の作用によります。逆にボイドが拡張するのは、正体が分からないダークエネルギーの作用によるとされています。大宇宙の開闢やその構造を考えると分かりやすいかも知れません。以前、全米スパコン応用センター長のラリー・スマーが、ビッグバン・シュミレーションをして以下の発表をしました。
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、次第に蜂の巣にも似た「泡構造」の被膜部分に分布していく。泡と泡の間の空間（ボイド）が広がる一方、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、秒速約600km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ます。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いう。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、ダークマターの存在はその膨張を抑制する力となる。他方それを推進する力となるものがダークエネルギーとされるが、ダークマターもダークエネルギーも、その正体はいまだよく分っていない。
ほぼ確実に分かっていることは、この膨張は「断熱膨張」であるということ、つまり、この宇宙は閉じているということです。ということは、膨張の進行に伴って宇宙は冷えていく、ということを意味します。０°K（「絶対零度」、−273.15°）になると、全ての粒子は運動を停止するので、（私論では）膨張は止まることになります。現代天文学は「永久膨張論」（ビッグリップ）を主張しているので、この点で（のみ）、私は現代天文学の所説に合点がいきません。私は、全ての粒子が運動停止しても、引力は（未知のグラビトンによるのでなく、重力場によるので）消えないので、重要な動因として働き続けると思います*。

＊私は、この宇宙膨張の要因として、断熱膨張の冷却効果が関係しているのかも知れないと考えています。一般に、期待の高圧状態を開放するとき、その気体が冷えると同時に広がる性質がありますね。ということで、宇宙の膨張の要因は宇宙の冷却による「脱エネルギー」効果による、と推測しています。冷蔵庫の冷却などと同じ原理です。

＞現代の技術で何億光年先の星まで見えるのか知りませんが、もし今まで見えていた星が見えづらくなってきたり見えなくなったら、それも宇宙の膨張を証明する理論になるのではないでしょうか。素人の単純な疑問ですが、宇宙が膨張していることが何で分かるのか、そのためのエネルギーは何なのか知りたいです。
⇒年周視差、ケフェウス変光星、銀河の明るさ（タリー・フィッシャー関係）、超新星の明度の変化などを指標に用いたり、光のドップラー効果（赤方偏移）を観測したりして、宇宙膨張を証明し、その実態を推測します。
すでに見たとおり、ダークマターもダークエネルギーも、その正体はいまだよく分っていません。ですから、すべて推測の域を出ませんが、膨張がひとたび停止すれば、引力の働きで膨張は収縮に転じてビッグクランチに至り、再度ビッグバンが繰り返されるのではないかという想像が成り立ちます。かつて、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」と言っていました。もし宇宙膨張（という空間の広がり）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。こうして泡の膜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（という空間の広がり）も縮まって、グレートウオールが形成されていく。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km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（ラリー・スマーの提示による）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、次回のビッグバンが引き起こされる。私は、以上のように想像しています。

＊以上の私見を考えるに当って、長年にわたる放送大の天文学「進化する宇宙」、「宇宙観の変遷」、「太陽系の科学」の聴講、『現代天文学小亊典』（高倉達雄監修）、『宇宙に「終わり」はあるのか』（吉田伸夫）、『宇宙の果てを見る』（磯部琇三）、『科学文明に未来はあるか』（野坂昭如）などを参照させていただきました。
＊最近同じようなQAがありましたので、よろしければ、次のスレをご覧ください。https://okwave.jp/qa/q10102326.html

お礼

非常に詳しい説明をいただき、ありがとうございました。
物理や天文学には興味はありますが、素人の自分には少々難しいですが、理解できた気がします。
この広大な宇宙空間はまだまだ謎がたくさんあるんでしょうね。それだけに興味をそそられますし、人間の存在がいかにちっぽけなものか教えられます。
またよろしくお願いします。ありがとうございました。

回答No.6

25001mackey

私が知っている説の一つを紹介します。
量子力学によると、状態というものは固定的であっても、全ての物質・時間は同じ状態のまま存在することはできません。例えば、「無」と「有」の話です。
これが宇宙創世の鍵となるのですが、先ほど述べたのは「量子揺らぎ」というものです。宇宙誕生以前は「無」の領域が広がっていました。何も見えない、何も存在しない、もはや領域と言って良いのかというほど何もなかったのです。ここでの「無」の領域には、「虚数時間」という時間が流れていました。
「虚数」とは、2乗して負の数になる数のことです。数学的には「i」で表されます。
そして「無の領域」は何もないように見えて、この「無」は「有」と重ね合わせの状態、つまり、「無」の状態と「有」の状態をどっちとも持っています。
そして虚数時間が流れていく度に「無」の量子的揺らぎが激しくなっていき、しまいにはトンネル効果により、「無」ではなく「有」の状態になリました。したがって、ごく微小の空間がポツンとでき、そこに詰まったエネルギーで空間が異常な速さで膨張します。
ここでの注意点は、「空間ができたのは分かったが、エネルギーはどこからきたのか」という点ですね。
無が有に変わるということは、空間だけでは完璧な有ではないんです。
そしてこのタイミングで虚数時間から時間(有理数時間)にチェンジ、時間がちゃんと流れ始めて、空間がエネルギーを使って膨張しました。その時の空間が持っていたエネルギー量は、とんでもなく計り知れないほどに莫大なエネルギーが詰まっています。それも、現在宇宙最強の爆弾として語られているブラックホール爆弾が非にならないくらいのエネルギー量です。
と、まぁいろいろ語りすぎましたね。わかりにくかったと思いますが、これで終わります。

回答No.5

head1192

ビッグバンの瞬間つまりｔ＝０にさかのぼることはできないので、どうしても演繹的に類推することになる。
つまり、ｔ＝１、ｔ＝０．１、ｔ＝０．０１、・・・と遡り、ｔ＝０に漸近的に接近していくということである。

なぜこういうアプローチを取るかというと、宇宙は無つまり「数学的な点」から出発したと仮定されているからである。
数学的な点とは空間的な広がりを持たない、文字通り体積ゼロの点である。
その中に現在の全宇宙の質量・エネルギーのすべてが詰め込まれているのだから、その総エネルギーは文字通りの∞になる。
（分母がゼロになるため）

無限大のエネルギー・質量がなぜ現在の有限のエネルギー・質量になっているかだが、これは次のように考えられている。
「ビッグバンによってはじめて時空が生じた。それ以前は時間も空間も無の世界での量子エネルギーのゆらぎがあるだけだった。しかし時空が生じそれがエネルギー場や質量場と干渉するようになり現在のエネルギー・質量となった」

時空は膨張していてこれは見かけ上の斥力を生み出すが、この宇宙には重力も存在し、引力として振舞う。
また、電場や磁場、核力も条件次第で引力として働く。
なのでそれらの力が十分強ければ物質も物体も天体も結合を保てる。
すべての銀河が天の川銀河から遠ざかっているわけではない。
天の川銀河とアンドロメダ銀河を中心とする３０数個の銀河から成る「局所銀河群」という集団があり、これらの銀河は強力な重力により集団を保っている。
というより、接近し衝突し次第に一つの超銀河になろうとしている。
天の川銀河とアンドロメダ銀河も３０億年後には衝突する。

しかし時空の膨張のスピードが加速し続けると、銀河内や太陽系、恒星や惑星のみならず結晶や原子、粒子間のスケールでも膨張に伴う斥力が無視できなくなる。
やがてすべての物質は斥力に負けてバラバラになり電子や光子などのわずかな素粒子だけの世界になってしまう。
これが現在唱えられている宇宙の未来の一つ「ビッグリップ」である。

しかしあくまでシナリオの一つでありそうなると決まったわけではない。
将来を確定するには物証が足りない。
現在天文学が「ダークマター」や「ダークエネルギー」の追究に血眼になっているのはそのためである。

あと、ビッグバンは終わっている。
ビッグバンは宇宙開闢の瞬間のことである。

お礼

非常に詳しい説明をいただき、ありがとうございました。
物理や天文学には興味はありますが、素人の自分には少々難しいですが、理解できた気がします。
この広大な宇宙空間はまだまだ謎がたくさんあるんでしょうね。それだけに興味をそそられますし、人間の存在がいかにちっぽけなものか教えられます。
またよろしくお願いします。ありがとうございました。

回答No.3

kzr260v2

>>宇宙が膨張していることが何で分かるのか

宇宙の観測からわかります。レーシングカーが通り過ぎるとき、最初は甲高く、通り過ぎた瞬間低くなります。遠くにある星々や銀河にも似た現象が起こります。近づく星や銀河の光は青い色に偏移し、遠ざかる星や銀河の光は赤い色に偏移します。赤方偏移といいます。これにより遠ざかる星の速度も分かるようになりました。

>>そのためのエネルギーは何なのか知りたいです。

これはちょっと難しい説明になります。以前だったなら、「火の玉が爆発したエネルギー。言い換えると、宇宙が誕生したビッグバンのエネルギーで宇宙は拡大している」というシンプルな説明でした。

現在、その説はほぼ否定されています。なぜかと言うと、ビッグバンのエネルギーだけだったなら、膨張速度は徐々に低下するはずなのに、観測結果は【加速している】というものでした。まさにこの加速原因のエネルギーの名を、ダークエネルギーと呼び、最先端の研究対象となっています。ひとことで表現すると「確実なことは、ほぼ何も分かっていません」となります。可能性として考えられるのは、ダークエネルギーのエネルギー源は、私たちが今いる宇宙よりひとつ前の宇宙です。

「ひとつ前の宇宙？意味わからない！」とおっしゃるかもしれません。以下に説明いたします。

※
宇宙の始まりや終わりについての研究の移り変わりから、順番にご案内いたします。

宇宙の始まりはビッグバンと考えられました。火の玉の大爆発です。

それをもとにした宇宙の終わりも研究されました。拡大し続けて最終的に宇宙が冷めるビッグフリーズと、ビッグクランチは途中から重力により収縮し始め再び火の玉に戻ること、もうひとつが、たまたまバランスをとる状態になる、この3種類でした。

ビッグバンの爆発の勢いで宇宙は拡大し、宇宙の物質の重力により拡大の勢いは弱まり、次に収縮し始め最終的には火の玉にもどる、これがビッグクランチです。そしてこの火の玉が爆発、つまりビッグバンを起こす。こんな古い説が有力な時期がありました。

銀河を観測していたら、おかしなことに気が付きます。銀河が回転する速度が早すぎるのです。この速度では銀河はバラバラに飛び散るはずですがそうなっていません。銀河をつなぎとめる重力が存在するということは、その重力を発生させる何らかの物質があるはずです。それがダークマター(暗黒物質)と呼ばれ、ダークマターの正体を見つけようと、理論研究と観測がされています。

とりあえずダークマターの重力により宇宙は収縮し、ビッグクランチに至る可能性が高くなりました。

ならばと、宇宙が収縮し始める時期を割り出そうと、宇宙を観測したのですが、予想外の結果がでました。宇宙の膨張速度は加速していたのです。

それは、星々や銀河が存在しないからっぽの空間から生じていました。それをダークエネルギーと言います。これにより、もし膨張し続けたらビッグフリーズを越えて引き裂かれることが予想されました。太陽や地球といったレベルで終わらず、分子や原子や素粒子が引き裂かれます。ビッグリップです。最後は空間すら引き裂かれます。何も残りません。

ここで疑問が生まれます。ダークエネルギーは、いつから生じたのか？宇宙誕生から80億年あたりからだそうです。このようなダークエネルギーの観測により、この時点では未来はビッグフリーズ説が優勢になります。星々はなんだかんだブラックホールとなり、ブラックホール同士合体したり消滅して行きます。そして最後のブラックホールが収縮し爆発します。ガンマ線を発して終わり。

ここで更に、量子力学から新しい説が生まれます。先ほどの、からっぽの空間で『相転移』が発生するかもしれないのです。相転移は、宇宙の中に新しい宇宙が生まれることです。今の宇宙が新しい宇宙に置き換わります。

宇宙の相転移は光の速度で広がるので、人間がそれを知ることはなさそうです。宇宙のからっぽの空間にあるダークエネルギーの正体が分からないと結論は出ないですが、今のところ宇宙の最後は、ビッグフリーズか、相転移のどちらかです。

宇宙の始まりも、ビッグバンか、ひとつ前の宇宙から相転移した、このどちらかです。

※
私たちの宇宙を構成していると考えられているものは、約70%がダークエネルギー、20と数%のダークマター、数%の我々人類が観測可能な物質、という感じです。90%以上、訳のわからない状態なのです。

※
天文学では、天動説が長く続きました。惑星は不可解な軌道でしたが、規則性はありました。とても複雑な計算式になりましたが、軌道は予測できたのです。天文学者たちは不可解な軌道の理由を【原因不明の何かの影響】として先送りしていたのです。しかし天動説から地動説となり、太陽の周りを惑星が公転している、というモデルにしてみたら、計算式はシンプルになりました。
何がいいたいかと言うと、現在のダークマターやダークエネルギーのモデルは複雑すぎるようにも思うのです。つまりダークマターやダークエネルギーは、天動説時代の惑星の軌道と同じで、もしかしたらもっとシンプルなモデルがあるかもしれない、というものです。

いろいろ分かってきましたが、残念ですがそれにより分からなくなっているのです。もちろんご案内したことも、あっという間に古くなり、新しい説に置き換わるかもしれないです。どうかご理解ください。

以上、参考にならなかったらごめんなさい。

回答No.2

sonomamadeii

>そのためのエネルギーはどこから来ているのでしょうか。

いい質問ですね！
なので、実は膨張しているのではなく、
縮小しているのです。

回答No.1

nagata2017

ドップラー効果とか　赤方偏移
100億光年先にある星を観察すると　光の波長が　赤のほうに偏っている
身近な例で　救急車のサイレンが近づいてくるときは高音で　離れていくときは低音に変化することをドップラー効果と呼びます。
それによりはなれていく速度が計算できますが　遠くの星のほうが遠ざかるスピードが速いことがわかり　膨張をつづけていることがわかりました。
近傍の星は　ビッグバンの影響よりも　引力の影響のほうが大きいので　近くの星の距離を測定しても膨張している証拠にはなりません。
地球が存在する銀河とアンドロメダ星雲は近い将来衝突すると言われています。
ちょっと昔は　膨張はいつか止まって収縮に向かうと考えられていましたが　現在は膨張が加速しているという学説が出ています。