光子時代

光子時代（Photon epoch）とは

光子時代とは、宇宙が誕生して間もない非常に初期の段階において、その総エネルギーの大部分を光子が占めていた特定の期間を指します。この時代は、その名の通り、光子（電磁波の量子）が宇宙の物理的振る舞いや進化を支配していたことが大きな特徴です。

時代の始まり

光子時代は、ビッグバンからおよそ10秒が経過した頃に幕を開けました。これは、先行するレプトン時代が終焉を迎えた直後とされます。レプトン時代には、電子やニュートリノといったレプトン粒子とその反粒子が高温・高密度の宇宙空間を飛び交っていましたが、宇宙の膨張と冷却が進むにつれて、レプトンと反レプトンの大部分が対消滅を起こしました。その結果、相対的に光子のエネルギー密度が優勢になり、光子時代へと移行したのです。

初期数分間の出来事

光子時代の始まりから最初の数分間は、宇宙の歴史において極めて重要な出来事が起こった期間です。この短時間で、いわゆるビッグバン元素合成が進行しました。宇宙全体の温度と密度がまだ十分に高かったため、陽子や中性子が結合し、ヘリウムなどの軽い原子核が生成されました。この元素合成によって作られた軽い元素の存在比は、現在の宇宙の観測ともよく一致しており、ビッグバン理論の強力な証拠の一つとなっています。

時代の状態

元素合成期を経て、光子時代のその後大部分の期間、宇宙空間は非常に高温で密度の高い状態にありました。この時の宇宙は、生成された原子核と、それまでバラバラに存在していた電子、そして圧倒的な数の光子からなる、熱いプラズマとして存在していました。このプラズマ状態では、荷電粒子である原子核や電子が多数存在していたため、光子はこれらの粒子、特に電子と頻繁に衝突したり散乱されたりしていました。このため、光子は宇宙空間を自由に直進することができず、宇宙全体は光にとって不透明な「霧の中」のような状態でした。

時代の終焉と宇宙の晴れ上がり

光子時代は、ビッグバンから約38万年が経過するまで続きました。この長い期間にわたって宇宙は膨張し続け、それに伴って温度も徐々に低下していきました。やがて宇宙の温度が約3000K（絶対温度3000度）程度まで下がると、それまでプラズマ状態で自由に飛び回っていた電子が、原子核の電気的な引力によって捕獲されるようになり、安定した電気的に中性な原子（主に水素原子やヘリウム原子）を形成することが可能となりました。この温度は、これらの原子が電離せずに存在できる境界線にあたります。

中性原子が宇宙を満たすようになると、光子と荷電粒子（特に電子）との相互作用は劇的に減少しました。これは、光子が散乱される主な対象であった自由電子の数が大きく減ったためです。その結果、光子はもはや物質粒子に遮られることなく、宇宙空間をほぼ妨げられることなく直進できるようになりました。この出来事は「宇宙の晴れ上がり（Cosmic Recombination/Decoupling）」と呼ばれます。まるで濃い霧が晴れて遠くまで見通せるようになるように、宇宙は光にとって透明になったのです。

その後の宇宙

宇宙の晴れ上がりの際に、それまでプラズマ中に閉じ込められていた光子が一斉に解き放たれました。これらの光子は、その後宇宙の膨張によって波長を引き延ばされながら現在まで旅を続け、現在私たちが見ている「宇宙マイクロ波背景放射（CMB）」として観測されています。CMBは、宇宙の晴れ上がりの瞬間の宇宙の状態を写し取る貴重な情報源であり、光子時代の終焉を示す直接的な証拠とも言えます。また、光子による圧力が減少したことで、物質は自身の重力によって集まりやすくなり、やがて銀河や銀河団といった宇宙の大規模構造が形成されていく基礎が築かれました。光子時代は、このように現在の宇宙の姿を形作る上で、極めて重要な転換点となった時代なのです。

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