宇宙の年齢

宇宙年齢

「宇宙年齢」とは、宇宙の始まりとされるビッグバンから現在までの時間の経過を指す天文学における基本的な用語です。これは、現代宇宙論が描く宇宙の進化の歴史を時間軸で捉える上で非常に重要な概念であり、「宇宙の年齢」とも呼ばれます。宇宙の始まりをビッグバンに求める考え方は、20世紀後半以降、広く受け入れられている標準的な宇宙モデルとなっています。

宇宙年齢の測定は、天文学における最も重要な課題の一つであり、観測技術の進歩とともにその精度は飛躍的に向上しています。特に、人工衛星による宇宙の観測は、精密なデータをもたらしました。

最新の測定値としては、欧州宇宙機関（ESA）の人工衛星プランクによる2013年の観測データに基づき、宇宙年齢は137.99億年（誤差プラスマイナス0.21億年）と算出されています。この値は、複数の研究プロジェクトの結果を統合し、整合性をとることで得られたものです。宇宙年齢を極めて正確に測定できるようになったのは、観測装置や手法の発達によるものです。これらの研究には、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の観測や、宇宙膨張の速度測定が含まれます。CMBの観測は、ビッグバン直後の高温高密度の状態から宇宙が冷えていく過程を教えてくれ、宇宙膨張の測定は、宇宙年齢を計算するための精密なデータを提供します。

理論モデルと宇宙年齢

現在の標準的な宇宙モデルであるΛ-CDMモデルは、宇宙初期のほぼ一様で非常に高温・高密度の状態から、約138億年かけて現在の宇宙に至るまでの進化を詳細に記述します。このモデルは、理論的に広範な検証が進められており、WMAP（ウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機）のような高精度の宇宙観測によってその妥当性が強く支持されています。

理論上は、Λ-CDMモデルが記述するビッグバンからの時間（すなわち宇宙年齢）よりも、宇宙の歴史が長い可能性も議論されることがありますが、一般的に宇宙論研究者は、このモデルに基づくビッグバンからの経過時間を「宇宙年齢」として扱っています。

天体観測からの下限

宇宙年齢を制約する独立した方法の一つに、宇宙に存在する個々の天体の年齢を推定し、それらが宇宙年齢を超えないことを利用する方法があります。あらゆる天体は、宇宙が誕生した後で形成されたはずですから、観測される最も古い天体の年齢は、宇宙年齢の下限値を与えるはずです。この方法では、最も低温な白色矮星の温度や、恒星の進化段階を示す赤色矮星の「ターンオフポイント」などを観測して天体の年齢を推定します。現在の観測限界で捉えられる最も古い天体でも、その年齢は宇宙年齢とほぼ同じかそれより若いと考えられています。例えば、てんびん座の方向にある恒星HD 140283は、推定年齢が144.6億年（誤差プラスマイナス8.0億年）と報告されています。この推定値の下限を考慮すると、前述の約138億年という宇宙年齢の値とも矛盾しない範囲に含まれます。

宇宙論的な計算

宇宙論の観点から宇宙年齢を計算する上で中心となるのは、ハッブル定数です。ハッブルの法則によれば、遠方の銀河ほど地球から速い速度で遠ざかって見えます。この後退速度と距離の比例関係を定める定数がハッブル定数です。もし宇宙の膨張速度が常に一定だったと仮定すると、ハッブル定数の逆数は、全ての銀河が一点に集まっていた過去の時刻、すなわち「ハッブル時間」を示します。2008年のWMAPなどの観測データに基づく計算では、ハッブル定数は約70.5 km/s/Mpc、ハッブル時間は約138.7億年と算出されました。しかし、実際の宇宙膨張は一定ではなく、物質による引力で減速したり、ダークエネルギーによる斥力で加速したりします。そのため、ハッブル時間をそのまま宇宙年齢とみなすことはできません。

宇宙の膨張速度の変化は、宇宙に存在する物質の量（全物質密度パラメータΩm）とダークエネルギーの量（ダークエネルギー密度パラメータΩλ）によって決まります。現在のΛ-CDM宇宙モデルでは、宇宙年齢はこれらのΩパラメータとハッブル定数によって計算される値となります。かつては、ダークエネルギーの存在は知られておらず、宇宙定数はゼロ、すなわちΩλ=0と考えられていました。この場合、宇宙膨張は物質の引力によって常に減速するため、宇宙年齢はハッブル時間よりも短くなります。特に、宇宙が平坦である（全エネルギー密度が臨界密度に等しい、Ω=Ωm=1）と仮定すると、宇宙年齢はハッブル時間の3分の2になると考えられていました。

しかし、WMAPなどの観測によって、宇宙は平坦に近く（Ωm + Ωλ ≒ 1）、しかもΩλがゼロではなく大きな値（約0.73）を持つことが明らかになりました（例：WMAPによる値 (Ωm, Ωλ) = (0.266, 0.732)）。ダークエネルギーによる加速膨張の効果があるため、宇宙年齢はハッブル時間とほぼ同じ値になることが計算から導かれます。実際に、WMAP等の初期の観測に基づく宇宙年齢の計算値は約137.2億年（誤差プラスマイナス1.2億年）であり、これはハッブル時間（約138.7億年）に近い値です。その後の精密な観測により、宇宙年齢の値は約137.72億年と更新され、プランク衛星による最新の測定まで最も信頼性の高い値として用いられました。

このように、宇宙年齢は様々な観測手法と理論モデルを用いて計算され、その値は非常に高い精度で決定されるようになってきています。特に宇宙マイクロ波背景放射の観測は、宇宙が晴れ上がり（電子と陽子が結合して原子ができた）、「デカップリング表面」と呼ばれる時点までの光の移動時間を高精度で測定することを可能にし、これが宇宙の信頼できる年齢の測定に繋がっています。観測技術と理論モデルの進歩が、宇宙の歴史の長さを正確に知ることを可能にしたのです。

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