146億年前の光って

質問

宇宙の誕生の時の爆発、その光。
遠くまで見える望遠鏡があれば、146億年前の光が見れる、とされています。
宇宙の誕生、その場所その時間に「光」が出発し、146億年かけて地球に届く。

上記の理屈は、理解しているつもりです。

ここで私の疑問です。
宇宙の誕生、つまり「後に地球になる材料」も、上記の「光」と同じく、その場所その時間（つまり146億年前）に出発し、（50億年前に地球誕生となり、）現在に至る。
と考えます。

上記に「出発」と書きましたが、宇宙のあらゆる物は、「その場所その時間」に出発していると考えていますから、地球が先に「今の場所」におり、146億年前の光が見えるといった描写は、どの目線で言っている話なのか、わかりません。

つまり、「最初の光」よりも先に、今の場所に来ていないことには、「146億年前の光が見える」といった描写はなりたたない。
となると、地球（あるいはその材料）は、光よりも早く、移動して来たと言う事になる？

推測1：地球（あるいはその材料）は、光よりも早く、移動して来た。
推測2：無からの爆発、その中心点が、一般的に言う「点」のサイズではなく、宇宙規模の「点」であり、そのサイズは何万光年レベルの「大きな点」だから、爆発点の段階で既に、
地球（あるいはその材料）と光は、出発時点で離れていた。

このくらいしか仮説がたてられませんが、どちらも異議がありますよね。。
オシエテ！

回答No.9

tgb

宇宙が膨張すると言うことはそれによって自分(地球)がどこかに動いてしまうと言うことではありません。銀河の運動や地球の公転など自分自身の固有の運動を無視すれば、自分は動かず隣も動かず、ただ自分と隣との間の空間が膨らんで２点間の距離が大きくなると言うことです。(勿論この２点だけではなく、任意の２点についてこのことが言えます。)
　この場合、地球(地点pe)から遠方にある星(または銀河：地点p0)から光が出て地球の方に向かったとします。一定時間経つと光は地球と星との間のある通過点(p1)に到達します。この間にp0-p1の長さもp1-peの長さも宇宙の膨張により増大します。光は残りのp1-peの距離を進んで行こうとするわけですが、この距離p1-peは当初より大きくなっています。以後pi(i=2,3,...)の通過点についても同様に残りの行程pi-peが増大することにより、最終的にpeに到達するまでに当初のp0-pe間距離より遙かに大きな距離を進む必要があることになります。
　星までの距離がｘ光年と言うことは上のような行程をｘ年かけて進んだ結果地球に到達したと言うことで、この距離は当然出発時点での２点間の距離とも現時点での２点間距離とも異なります。ただ、光自身についてはｘ年かけてｘ光年進んだと言うことが言えます。
　膨張がなければ、<出発時点での２点間の距離>＝<現時点での２点間距離>＝<光がｘ年かけて進む距離：いわゆるｘ光年>が言えますが、膨張がある場合の２点間の距離はどの時点かの指定がなければ定まりませんし、一般には現時点での２点の距離は光が[宇宙が膨張するの中]上のような行程をｘ年かけて進んできたのに対応する距離とだけしか言えません。

　何年か前の光とは何年か前に地球から離れているある点から発した光が現時点で地球に届いたと言うことです。最終的な距離が膨大であるため、到達に相応の時間を要することにより、出発時点と到達時点に大きな時間差が生じ、これに宇宙の膨張による問題が絡んで一見複雑に見えますが、膨張があろうとあるまいとより遠い地点からの光はその分だけ遅れて到達すると言うだけのことです。膨張がある場合には上に述べたように余計に時間がかかるようになるだけで、距離が大きいほど光の到達が遅れると言う関係は不変です。
　従って(膨張があっても、なくても)、地球を中心にして、そこからどれだけ離れているか、どちらが遠いかを考えれば良いのです。宇宙が膨張していれば、昔に遡るほど星までの距離は小さくなって行きますが、地球により近いか・遠いかにより、遠い順に星１、星２、星３とします。星３では１０億年かけて到達し、星２では１００億年、星１では永遠に到達しないと言う結果になり得ます。

　この距離の違いは宇宙の初期段階では宇宙自身が小さいため互いに近い距離にあるので小さいのですが、現時点では大きくなっています。このプロセスを少しだけ詳しく述べると次のようになります。
　星１、星２、星３、地球の固有の動きを無視して各星の位置をp1、p2、p3、peとします。宇宙の初期段階ではこの４点は極めて接近しています。勿論、地球もまだないし、他の星(銀河)１、２、３もありません。しかし地球peから見てp1、p2、p3の順に近くなると言う位置関係は変わりません。更に言えば、距離の比も宇宙の膨張によって不変です(一様膨張を仮定)。
　次に１００億年前になると、宇宙の晴れ上がりは既に完了していて星の光は宇宙のあらゆる方向に進めるようになっています。星１は少なくてもこの時点では存在していて現時点で地球に届いている光を発していたことになります。これより以前に既に存在していた可能性もあります。この場合、それ以前に発せられた光は過去において地球に到達していたことになります(何年か前から観測されている)。他の２つの星も存在していた可能性もありますがその事は保証はされません。
　更に１０億年前に時間を進めます。この時点で星２の存在が保証され、星１と同様の議論が出来ます。ただ、星２が１００億年に存在したかについては、１００億年前に存在し１０年前までの９０億年間存在したかについての別議論が必要になります。
　１０億年前になると１００億年前に星１から発せられた光は９０億年の間に着々と地球に接近し、ちょうど星２と同じだけ離れた位置にまで到達します。以後は星１、星２からの光は同一の行程を経て現時点で同時に地球に到達します。
　星３については地球に届かないので、上のような議論はできませんが、もし存在しているとすれば星１よりも遠い位置にあり、更に光が地球に到達する限界の距離よりも大きいとだけ言えます。

　このような議論では宇宙の膨張によって遠方の星が後退しているように「見える」と言うことと実際に動いて後退「している」と言うことの区別を理解するのが大切な要点になると思います。
　この理解を欠くと、遠くの星が後退して動いているように地球自身も動いているのかと思えてしまうかも知れません。また、風船モデルのように理解する場合、風船が膨らんで面上の２点が離れるためには風船の表面(上の点)が面外の第３の方向(半径方向)に動く必要がありますが、この類推から宇宙の膨張でも第４の方向への動きが必要であると考えこの方向を３次元空間の方向の中から選択しようとすると致命的な誤りを犯すことになってしまいます。

回答No.8

雪中庵（@psytex）

「最初の光よりも先に」という表現が、既に間違っています。
よく知られた話ですが、ビッグバン当初の高温・高圧では、
素粒子はクォークに、クォークは量子（光子）に分解し、
ビッグバンとは、量子のみにによる光速での膨張が始まり
なのです。

膨張によって冷えてビッグバン開始後１万分の１秒で陽子や
電子などの素粒子として固まり、10万年経って更に冷めると、
電子と陽子が対になり水素原子を構成すると共に、輻射との
相互作用が限定的になってビッグバン当初の輻射が通過する
ようになり、これを「宇宙の晴れ上がり」と呼びます。

ビッグバン当初が輻射だった証拠に、今でも全宇宙の方向の
138億光年かなたに、138億光年前の姿＝ビッグバンが見え
ています。
ただし、10万年経って晴れ上がった時の輻射で、その位置の
光速に近い後退速度のドップラー効果のため、絶対温度３度
という低温のマイクロ輻射に間のびしていますが。

ちなみに初期の高密度によって空間は曲がってブラックホ
ール化して、球の表面のように端も中心もない空間になります。
「ビッグバンによる膨張」は、単に輻射が広がるという意味
ではなく、その膨張による密度の低下により曲率＝空間自体が
拡大する事を意味します。
それは具体的には、138億光年の彼方を見れば、それは138億年
前の姿＝その半径138億光年の球面が、ビッグバン当初の“点”
であり、逆に向こうからこちらを見れば、こちらが「138億年
前の姿＝点」であり、この時空構造は全宇宙どこでも同じに
観察されるのです。

回答No.7

noname#221368

自分は#4さんの意見に賛成です。ただ「宇宙のあらゆる物は、「その場所その時間」に」という言い方は、ちょっと微妙です。

　ビックバンの挙動は、通常の爆薬の爆発のようなものだと想像しても、じつはそんなに間違いではないとは思いますが、決定的に違う点が一つだけあります。

　爆薬の爆発では爆心点からずれて爆発の伝播を観測すると、等方的な拡がりにはなりませんがビックバンでは、どの点から見ても概ね等方的な膨張として観測されると、現在は考えられています。なので自分は空間の膨張と言わずに、時空間の膨張と首尾一貫して言うようにしています。

　そうではありますが、「・・・「最初の光」よりも先に、今の場所に来ていないことには、「146億年前の光が見える」といった描写はなりたたない。」は、そりゃそうですよね。それで#4さんです。

　光よりも速く、今の場所に来ちまったんですよ(^^;)。この超光速移動は、相対性理論と矛盾しないそうです。「なんでだっ？！」って言われたら、自分は回答不能ですけど(^^;)。さらに#6さんに従えば最初の光は、宇宙開闢時から40万年ほど出遅れた事になります。

　ハップルの法則から（最近その破れが見つかったようですが）、遠方の物体は地球からの距離に概ね比例した速度で後退します。そうすると遠すぎない星々に関して#4さんの仰るように、半径130億光年くらいの範囲の星々の光が今とどき出した、という事だと思います。

回答No.6

kagakusuki

146億年という値がどこから来たものなのかは判りませんが、宇宙の誕生は約138億年前であって、146億年前では御座いません。
　尤もその事は御質問の本質とは関係ない事だと思われますので横に置いておく事に致します。

　まず最初に考えに入れておかねばならない事は、

>宇宙の誕生の時の爆発、その光。
>遠くまで見える望遠鏡があれば、146億年前の光が見れる

という話はあくまで「頭の中で理屈を考えた場合の話」に過ぎず、実際の宇宙の成り立ちを考えれば、何年経とうとも宇宙が誕生した瞬間の光が地球に届く事はあり得ないという事です。

　非常に高い温度では電子と原子核の結び付きが切れて、気体の中の分子が空間を飛び回るのと同様に、結び付きが解けた原子核と電子はバラバラに空間を飛び回る様になります。
　この様な電子と原子核がバラバラに飛び回っている状態になったものをプラズマと言います。
　電子と原子核が結びついている原子が全体としては電気的に中性であるのに対し、電子はマイナスの電気を帯びており、原子核はプラスの電気を帯びています。
　この様な電気を帯びている粒子の事を荷電粒子と言い、荷電粒子はプラスかマイナスのどちらかの電気を帯びていますから、電場が存在している所では荷電粒子は電場から力(引力や反発力)を受けて運動方向が変わる性質があります。
　光は電磁波の一種であり、電磁波は電場と磁場の周期的な変化が空間を波として伝搬して行くものの事です。
　つまり、光はプラズマの中の電子や原子核の動きに影響を与える訳です。
　電子や原子核にも質量があり、質量の有るものの運動を変化させるにはエネルギーが必要となります。
　つまり、プラズマの中を進もうとする光は、電子や原子核の動きを変化させる事でエネルギーを失うという事になり、光がエネルギーを失うという事は即ち元の光は無くなってしまうという事を意味するのですから、光はプラズマの中を進む事は出来ないという事になります。

　宇宙に星や星間ガスなどがある事からも判る様に、宇宙には物質が存在しています。
　大抵の物質は原子で出来ており、その原子は電子と原子核から出来ており、原子核もまた陽子と中性子から出来ております。
　宇宙が誕生した瞬間に宇宙が超々高温であった事は御存じかと思います。
　宇宙が膨張を始めた際にもその時の熱は残っているのですから、誕生した瞬間の時と比べれば温度は低くなるものの、宇宙は誕生してからしばらくの間は高温の状態が続いていました。
　その高温の状態では、宇宙に存在していた電子や原子核は結びついて原子となる事が出来ず、宇宙に存在していた物質はプラズマの状態となっていました。
　宇宙が膨張して温度が下がり、原子と電子が結びついて原子となり、プラズマの大半が無くなる事で宇宙空間を光が進む事が出来る様になったのは、宇宙が誕生してから約38万年も後の事だと考えられています。
　この光が宇宙空間を進む事が出来る様になった事を「宇宙の晴れ上がり」と言います。
　38万年の間にも宇宙は膨張を続けていましたから(というより、宇宙が膨張して容積が大きくなったからこそ、プラズマが無くなり、光が透過出来る様になった訳です)、宇宙空間を光が進む事が出来る様になった頃には、(現在の)地球が存在している場所と、それ以外の場所との間には距離が開いている事になります。

　つまり、現在の宇宙に残っている光は、宇宙がある程度膨張してプラズマが殆ど無くなった時代以降に発せられた光だけなのですから、「全てのものが同じ1点に存在していた宇宙誕生の瞬間」に発せられた光が地球に到達する事は無い訳です。
　因みに、宇宙の晴れ上がりの瞬間、宇宙からプラズマが無くなり始めて宇宙が半透明になった頃に、プラズマが発した光は、最初は数千度もの高温物体が放つ光と同様の紫外線や可視光線を含む比較的短波長の光だったのですが、その後、宇宙空間が更に膨張した事によって波長が引き伸ばされた(波の山と谷との間の空間が膨張で広がるため、波長も長くなる)ため、今では電波領域の波長の長い電磁波となって地球に到達しています。
　この宇宙の晴れ上がりが起きた頃に発せられた電磁波が絶対温度で3度の宇宙背景放射なのです。

【参考URL】
　宇宙の晴れ上がり - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E3%81%AE%E6%99%B4%E3%82%8C%E4%B8%8A%E3%81%8C%E3%82%8A

　宇宙情報センター / SPACE INFORMATION CENTER ：晴れ上がり
　　http://spaceinfo.jaxa.jp/ja/transparent_to_radiation.html

　国立天文台 > 一般の方向け > 宇宙図 > 宇宙図について > 天文学普及プロジェクト「天プラ」 > プロジェクト/超宇宙図/宇宙図 > 宇宙図2007 > 宇宙はどのように生まれたのか？ > 原子が登場し、宇宙が晴れ上がる
　　http://www.nao.ac.jp/study/uchuzu/univ02.html#chapt04

　宇宙マイクロ波背景放射 - Wikipedia
　　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E3%83%9E%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AD%E6%B3%A2%E8%83%8C%E6%99%AF%E6%94%BE%E5%B0%84

回答No.5

noname#212313

疑問に思っておられる現象には、空間の膨張が関わっています。光速度不変というのは、空間を静的と考えた場合に成り立つもので、空間の膨張も含めて考えると成り立ちません。

　まず一点で宇宙が始まったとします。我々（地球）も観測可能な宇宙も同じ一点にいます。我々基準で原点として「０」と書いておくことにします。

０

　1次元（線）で、半直線で考えるとして、1秒ごとに「→」分だけ広がるとします（「→」が1光秒）。1光秒ごとに数字を書いておくことにします。なお、加速膨張や減速膨張を考えるとややこしいですし、ご質問のポイントとはあまり関係ないので、等速膨張と考えることにします。
（実際には「０」の左にも広がっていますし、「１」の右側にもまだ広がっていますが、割愛します。

０→１

「１」ｍの地点は1秒後に1光秒離れているわけですが、光速で膨張したことになります。光速度で遠ざかるわけですから、「１」の地点が発光しているとしても、「０」にはその光は届きません。

　1秒後以降は届かないのではなく、常に光速で離れていったため、空間の膨張が始まって以降、ずっと光が届かないのです。「１」の左側、つまり「０」に近い側の部分からの光は、「０」に届きます。ただし、光の速度は空間が膨張する速度に差し引かれ、ちょっと時間がかかってしまいます。このことは、後でもう一度説明致します。

０→１→２

　2秒後になると、1秒後だった「０→１」の「１」は「２」まで離れます。この「２」の地点は、光速度の2倍で「０」から遠ざかります。この時点で「０」から1光秒の距離にある新たな「１」は、1秒後だった「０→１」で「０」と「１」の間にあった地点です。

　遠いほど速く遠ざかることになるわけですが、一点から膨張する様子を考えるのは、ちょっとややこしいので（点から線になる等）、1次元で既に長さがある状態からの膨張を考えてみることにします。

0→1→2→3→4→…

　0.25光秒ごとに目盛があると考えて、各目盛に数字を振っておきます（最初の説明の数字とは関係ありません）。「→」は0.2光秒の長さとします。目盛0と目盛4の距離が1光秒であるわけですね。

　1秒ごとに2倍に広がるとして、1秒後には、

0→→1→→2→→3→→4→→…

となります。目盛0からの各目盛の距離は、目盛1は0.25光秒が0.5光秒になり、速度を概算すると、0.5-0.25＝0.25で光速度の0.25倍です。
　目盛2は0.5光秒が1光秒になっていますので、光速度の0.5倍。
　目盛3は0.75光秒が1.5光秒になっていますので、光速度の0.75倍。
　目盛4は1光秒が2光秒になっていますので、光速度の1倍、つまりちょうど光速度です。

　遠いほど速く遠ざかっています。宇宙の膨張は、こういうことが3次元空間で起こっているのです。目盛0を基準に考えましたが、目盛1を基準に考えても、遠いところほど同じように速く遠ざかります。どの目盛の位置から見ても、同じように周りが遠ざかるわけです。

　地球（上記の目盛0の位置とします）に向かう光は、常に伸びつつある空間を通って来ますから、空間が伸びる分だけ長い距離を走らねばならず、到達に時間がかかることになります。

　そして、空間が光速度で離れている（膨張していく）位置から地球に向かう光は、空間の膨張速度と、地球に向かう光の速度が釣り合い、地球からはずっと同じ位置にいることなります。その地点より遠方では、空間の膨張速度が光速度を上回り、方向としては地球に向かう光は、空間の膨張で引きずられて、トータルでは地球から遠ざかってしまいます。

　1次元でもう一度考えてみます。宇宙空間をゴムひもで考えてみることにします。空間の膨張はゴムひもをぐぐーっと引き伸ばし続けているというイメージになります。光をアリに喩えてみますと、ゴムひもの上をアリが歩いているイメージになります。

　さらに我々（地球）もゴムひもの上にいて、アリはこちらに向かって歩いているとします。ゴムひもを引き伸ばさないなら、アリは一定の速度でこちらに近づき、いつかは我々のところに到着します。ところが、ゴムひもを引き上し続ける場合は、アリは引き伸ばした分も歩かねば我々のところに到着できません。

　上でみたように、引き伸ばし続けると遠いところほど速く離れて行きます。伸ばされ続けるゴムひもでは、我々からある程度離れたところでは、引き伸ばされる速さとアリの歩く速さが同じになります。その地点にいるアリがこちらに向かって歩き続けても、我々からはアリが同じ地点にいるようにしか見えません。

　もっと近ければいつかはアリは我々のところに到達しますし、もっと遠ければアリがこちらに向かって歩き続けているにも関わらず、アリはどんどん遠ざかってしまいます。

　時間を逆回しして、どんどん縮めていくと、最後には線が点になります。最初の1点という状況でも、長さのある線と同じようなことになります。1点ですので我々もアリも同じ場所にいるので考えるのが難しいのですが、1点であっても光速度未満で離れている、ちょうど光速度、超光速で離れるといったことが既に含まれているのです。

　地球から146億光年離れた位置からの光は、146億光年前の光であることに疑いはありません。宇宙ができた頃の光ですね。およそ146億年前、我々の非常に近くで発光したのですが、空間がどんどん伸びてしまったので、我々のところに来るまで146億年もかかってしまったわけです。

（宇宙の膨張と光の関係を単純化して考えるなら、上りのエスカレーターを歩いて下りて行く、というイメージを援用してもいいかも。ただし、エスカレーターではどこでも同じ速度という点がちょっと異なる。）

　ですので、推測1、2は空間がどんどん伸びていったという点が考慮されていないので、残念ながら当たっていません。

回答No.4

Nakay702

どちらかと言えば、推測1の方が「まし」と言えるかも知れません。

その理由
（１）「インフレーション理論」によれば、ビッグバンの直前の宇宙は、「エネルギーの相転位」とか言われるものによって、１秒足らずの間に何億光年にも広がったのだそうです。
（２）さらにそれからまた１秒足らずの間に、４つの力（重力・電磁力・強い力・弱い力）が分離した、と言われます。
（３）その後、数～数十分くらいの間に、基本元素（水素・ヘリウム・リチウムなど）ができたらしいです。
（４）その後の数十万年の間に、原始銀河が形作られ、さらに約45億年前にようやく太陽系ができたとされています。
（５）（上記も含めて）どういう計算で出てくるのか分かりませんが、現代天文学によると、現在の宇宙の大きさは半径800億光年くらいらしいです。
（６）そのうち、地球から観察できる範囲は理論上半径130億光年くらいの範囲で、それ以遠では光より早い速度で遠ざかるので光が地球に届かないから観察もできない、ということらしいです。

ということで、「遠くまで見える望遠鏡があれば、146億年前の光が見れる」というのは、「光が地球に届く範囲がそのくらいである」ということを言っているのだと思います。
（この際、130億光年か146億年かの違いなどは、ほとんど意味をなさない程度のものだと言えるんでしょうから。）

回答No.3

Willyt

現代正しいとされる理論は光速が一定不変と仮定することから出発しています。そしてこの仮定をひっくり返す事実は一つも見つかっていません。ですからビッグバンのときに発せられた光は誰も観測できていません。
ビッグバンが起きたというのはドップラー効果によるスペクトル変位を測定することによって得られた恒星のスピードは遠いものをほど速く、それを一定時間元へ戻していくと奇妙なことに一点に集まってしまうことからその結論が得られたのです。ビッグバンのときに発せられた光を観測した結果ではありません。

回答No.2

ykoke01

まず推測１は間違ってます。最初の点から所謂ビッグバンが起こり、そこから宇宙が拡がりはじめたわけですが、その過程で太陽も地球も出来ています。そして推測２も全くの間違いです。宇宙の始まりは針の穴より小さかったと言われています。
　ビッグバンから始まり、今現在でも宇宙は拡がり続けています。イメージとしては池に小石を落として出来る波紋のようなものです。つまり中心から外側までは１４６億光年の距離があると言うことです。初期の爆発で出来た銀河や恒星は宇宙が膨張し続けている事によりかなり外側にあり、中心から離れながら全方向に向かって光を放ち続けています。宇宙は光の速さで拡がっていると言われていますが、膨張によって遠ざかっている恒星は光の速さで離れていっている訳ではなく、逆にそこから放たれる光はまさに光の速さで地球に向かってきます。
つまり宇宙のもっとも外側にある銀河や恒星の光は１４６億年前の光と言っても差し支えない訳です。ここで重要なのは遠ざかりながら光を放っていると言う点です。
　ではビッグバンの瞬間の光を見ることができるか？まさにこれは１４６億年前の光であり、後から出来た地球から見ることは絶対無理に思えますが、もし光が反射してきたとしたら、必ずしも不可能とは言えません。仮にビッグバンが１４６億年前、地球誕生が５０億年前としたら、地球からビッグバンを見るには１２１億光年の地点で鏡のように反射してくればビッグバンから９６億年目に出来た地球にビッグバンの光が戻ってくる計算になります。反射してますが、この光は正にビッグバンなのです。
　何が言いたいかというと、見えている銀河や星の光は過去のものだと言うことです。夜に空を見上げて、光っているモノは光った瞬間を見ているわけではないと言うことです。当然爆発して消滅した星の光だけが届いている場合もあります。つまり星はもう無くとも、光だけが長い年月をかけて飛んできて、そこにあるように見えているということです。
　まだ分かりにくいかもしれませんが、要するに１４６億年かけて地球に光が届いている訳ではないのです。地球が出来たときからずーっと見えている（光は届いている）のです。その銀河や星が約１４６億年前に出来たものだという意味なのです。

回答No.1

kohichiro

私見ですが

ビッグバン初期の爆発(膨張）速度は、光速をはるかに超えていました（今も宇宙の周辺では光速以上で膨らんでいる、というひともいます。でもその観測は原理上不可能です）。もちろん「爆発物」の速度は一定ではありません。でなければ現在のように宇宙全体に星星（爆発物）がほぼ均一に存在しているはずはないからです。そして現在の宇宙の構造自体がどこに中心があるのかわからない、というよりどこでも(地球も）中心にあるというような構造になっています。ということは、爆発初期の位置(点）もどこにあったのか分からないということです。そして爆発初期の光（のすべて）が必ずしもその空間を直線で飛んでいるということもないということです。つまり、半径１４６億光年の宇宙で初期に発生した光(の一部）が宇宙をさまよい、今になって地球に届いたということもあり得るということです。