宇宙マイクロ波背景放射

宇宙マイクロ波背景放射：宇宙誕生のこだま

宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、宇宙空間全体からほぼ均等に観測されるマイクロ波です。そのスペクトルは、約2.725ケルビンの黒体放射と驚くほどよく一致しており、宇宙の初期状態を映し出す「宇宙の化石」とも呼ばれています。CMBは、単に宇宙背景放射、マイクロ波背景放射、3K背景放射などとも呼ばれます。

ビッグバン理論とCMB

CMBは、ビッグバン理論を支持する最も強力な証拠の一つです。1960年代半ばに偶然発見されたCMBは、それまで有力視されていた定常宇宙論を退け、ビッグバン理論が広く受け入れられるきっかけとなりました。

標準的な宇宙論モデルによれば、CMBは宇宙誕生から約40万年後の「宇宙の晴れ上がり」と呼ばれる時代に放出された光です。この時代、宇宙の温度は約3000ケルビンで、電子と陽子が結合して水素原子が形成されたため、宇宙は初めて光に対して透明になりました。この時の光は、宇宙膨張に伴う赤方偏移によって波長が伸び、現在ではマイクロ波として観測されています。宇宙膨張によって温度は約1/1100にまで下がりました。

CMB以降の宇宙進化

CMB放射後、宇宙ではいくつかの重要な出来事が起こりました。まず、「宇宙の再電離」です。初期宇宙で生まれた大質量星からの強い紫外線によって、中性水素原子が再び電離したと考えられています。しかし、再電離は恒星形成以前にも始まった可能性を示唆する証拠もあります。

また、最初の恒星が観測されるまでの期間は「暗黒時代」と呼ばれています。この時代は、観測可能な天体が存在せず、宇宙論研究者にとって未解明の部分が多く、精力的な研究が続けられています。

CMBは、現在観測可能な宇宙の限界を示す重要なマーカーでもあります。CMBよりも外側の領域は、地球から観測できない領域であり、観測可能な宇宙の半径は約465億光年と推定されています。

CMBの特性

CMBはいくつかの重要な特性を持っています。

エネルギー分布：CMBのエネルギー分布は、ほぼ完璧な黒体放射スペクトルを示します。
等方性：CMBは、全天において非常に均一な分布を示します。ただし、ごくわずかな非等方性が観測されており、これは地球のCMBに対する運動によって生じていると考えられています。
* 非等方性：CMBには、10⁻⁵程度の非常に小さな温度揺らぎ（非等方性）が存在します。この揺らぎは、宇宙初期の量子揺らぎがインフレーションによって拡大されたものだと考えられており、現在の宇宙の大規模構造形成の起源を示唆する重要な情報を含んでいます。この非等方性の詳細な観測によって、宇宙の幾何学や宇宙論パラメータ（ハッブル定数など）を推定できます。ザックス・ヴォルフェ効果やスニヤエフ・ゼルドビッチ効果などが、CMBの非等方性に影響を与えています。

CMBの発見と観測

CMBは、1940年代にガモフらによってその存在が理論的に予言され、1964年にペンジアスとウィルソンによって偶然発見されました。この発見は、1978年のノーベル物理学賞を受賞しました。初期には、CMBの起源をめぐって激しい議論がありましたが、現在はビッグバン理論を支持する証拠として広く受け入れられています。

CMBの観測は、地上や大気圏上層、宇宙空間などで行われています。COBE、WMAP、プランク衛星などの宇宙ミッションは、CMBの精密観測に大きく貢献しました。これらの観測によって、宇宙年齢、宇宙の組成（ダークエネルギー、ダークマター、バリオン）、宇宙膨張速度などがより正確に測定できるようになりました。

CMB以外の宇宙背景放射

CMB以外にも、宇宙赤外線背景放射や宇宙X線背景放射など、様々な宇宙背景放射が観測されています。これらは、CMBとは異なる物理過程によって生じたものです。

CMBの研究は、宇宙の起源と進化を解き明かす上で非常に重要な役割を果たしており、今後もさらなる研究が期待されています。

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