宇宙の大規模構造

宇宙の大規模構造とは

宇宙の大規模構造（large-scale structure of the cosmos）とは、宇宙空間における銀河の分布が示す、非常に巨大なネットワーク状の構造を指します。これはしばしば「宇宙の泡構造」とも呼ばれます。

その形状

宇宙に存在する銀河は、単独で存在するよりも、数百から数千個が集まって「銀河群」や、さらに大きな「銀河団」を形成する傾向があります。これらの銀河団がさらに広範囲に集まると、「超銀河団」と呼ばれる巨大な集合体になります。

驚くべきことに、この超銀河団は宇宙空間で均一に分布しているわけではなく、まるで巨大な壁やシートのような平面的な配置を示します。こうした広大な壁状の構造は「グレートウォール」あるいは「銀河フィラメント」と呼ばれています。

そして、１９８０年代以降の観測によって、こうした銀河フィラメントと銀河フィラメントの間には、星や銀河といった光を放つ天体がほとんど存在しない広大な領域があることが明らかになりました。この空虚な空間は「超空洞（ボイド）」と呼ばれており、その直径は優に１億光年を超えるものも存在します。

宇宙全体の大規模構造は、この銀河フィラメント（壁）と超空洞（空洞）が複雑に組み合わさった立体的な構造をしています。これは例えるならば、石鹸を泡立てたときにできる、無数の泡が積み重なったような様子によく似ています。泡の薄い膜の部分に銀河が密集してフィラメントを形成し、泡の内側のほとんど空っぽな空間がボイドに対応するのです。

観測方法と観測上の歪み

宇宙の大規模構造の観測は、銀河までの距離と位置を大量に測定することによって行われます。特に、銀河から届く光のスペクトルが、宇宙の膨張によって波長の長い方へずれる現象「赤方偏移」は、銀河までの距離を知る上で重要な手がかりとなります。

初期のCfA赤方偏移サーベイによるグレートウォールの発見以降、観測技術は飛躍的に向上しました。現在では、スローン・デジタル・スカイサーベイ（SDSS）や2dF銀河赤方偏移サーベイといった、さらに多くの銀河をより遠くまで観測する大規模な「銀河サーベイ観測」が世界中で実施されています。

ただし、銀河までの距離を赤方偏移の値のみに依存して推定すると、大規模構造が実際とは少し違った形で見えてしまうことがあります。これは、天体固有の運動速度が赤方偏移に影響を与えるために起こります。

例えば、巨大な銀河団の近くにある銀河は、銀河団の重力に引かれて銀河団の方向へ落下するような運動をしています。この運動速度が視線方向成分を持つ場合、銀河団よりも地球に近い銀河は、銀河団から離れる向きの速度を持つために赤方偏移が大きめに観測されます。逆に、銀河団よりも遠い銀河は、銀河団へ向かう速度を持つために赤方偏移が小さめに観測されます。この効果を補正せずに赤方偏移を距離に換算すると、銀河団の周囲に存在する銀河が、実際よりも視線方向には短縮され、あたかも押しつぶされたような分布をしているように見えてしまいます。

これとは逆に、銀河団の内部にある銀河については別の現象が発生します。銀河団を構成する個々の銀河は、銀河団全体の運動とは別に、銀河団の中心に対してランダムな速度で動き回っています。このランダムな速度の視線方向成分によって、各銀河の赤方偏移は銀河団全体の平均的な赤方偏移を中心として、広がりを持った分布を示します。この赤方偏移を距離に換算すると、銀河団が実際よりも視線方向に長く引き伸ばされて観測されてしまいます。この見かけ上の歪みは、まるで観測者（地球）の方角を指差しているかのように見えることから、「神の指（Finger of God）」効果として知られています。

その成り立ち

宇宙の大規模構造がどのようにして形成されたのかは、宇宙論における重要な研究テーマです。現在の標準的な宇宙モデルでは、宇宙誕生直後のごくわずかな密度や温度の「ゆらぎ」が、時間とともに自己重力によって成長していった結果、このような構造ができたと考えられています。この重力による不安定性が、より密度の高い領域に物質を引き寄せ、徐々に銀河や銀河団、そして大規模構造へと発展させたというシナリオです。

実際に観測されている銀河の空間的な分布パターン（銀河の相関関数など）と、コンピューターによる数値シミュレーションの結果を比較すると、現在のような大規模構造を再現するためには、宇宙全体の質量の大部分が、光を放出しない「暗黒物質」という未知の物質であり、しかもそのうちの大部分が比較的運動速度の遅い「冷たい暗黒物質」である必要があることが示唆されています。

一方で、プラズマ宇宙論など、標準的な宇宙モデルとは異なる考え方では、宇宙の大規模構造の種となる巨大なガス塊が先に形成されたという説なども提唱されています。

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