観測可能な宇宙

定義とその範囲

観測可能な宇宙（observable universe）とは、私たち観測者を中心として、ビッグバン以後に発生したあらゆる信号（主に光）が、光速で伝播して現在の観測者まで到達するのに十分な時間がある空間領域を指します。これはビッグバン宇宙論における概念であり、有限な球状の領域として捉えられます。宇宙のどの地点にも、その場所を中心とした観測可能な宇宙が存在し、それは地球を中心とした領域と重なる部分もあれば、全く異なる部分もあります。

観測の原理と限界

ここで言う「観測可能」であるということは、現代の観測機器で実際にエネルギーを検出できるかということではなく、その光やその他の放射エネルギーが原理上、地球上の観測者まで到達することが可能であるという意味です。実際に光学的に観察できる範囲の限界は、宇宙が電離状態から中性状態へ移行し、光子が進めるようになった「宇宙の晴れ上がり」（宇宙の再結合期）の時点からの光です。この晴れ上がり以前の宇宙は、光子に対して不透明でした。そのため、光学的な観測では、この「最終散乱面」にある天体までしか見ることができません。

しかし、重力波は光速で伝播するため、その検出によって、宇宙の晴れ上がり以前、特にインフレーション時代後期に発生したとされる事象に関する情報を得ることも理論上は可能であり、これにより数兆光年あるいはそれ以上の遠方にある初期宇宙の姿を観測できる可能性が期待されています。

大きさの推定

地球から現在の「可視」宇宙の端、すなわち宇宙の晴れ上がり時の光が到達する地点までの共動距離は、あらゆる方向に約465億光年（約14ギガパーセク）と推定されています。これは、観測可能な宇宙の中でも光による観測が可能な範囲の下限を示すものとも言えます（重力波観測はさらに遠方を示唆する可能性があります）。この可視宇宙は、現在の宇宙では直径約930億光年（約28ギガパーセク）の球体として捉えられます。宇宙空間はほぼ平坦であるため、この大きさはおよそ4×10^32立方光年、メートル換算で約3×10^80立方メートルの共動体積に相当します。

重要なのは、この約930億光年という直径が、光が放たれた時点の距離ではなく、現在の宇宙における距離を示している点です。宇宙は膨張しているため、例えば宇宙マイクロ波背景放射（CMBR）の光が放たれた宇宙の晴れ上がり時（約137億年前の約38万年後）には、その光を出した物質は現在地球がある場所からわずか約3600万光年の距離にしかありませんでした。宇宙の膨張により、光が伝播した距離である約137億光年よりもはるかに遠方の領域が、現在の観測可能な宇宙に含まれています。

全宇宙との関係

科学的な観測によって発表される具体的な宇宙の観測値は、あくまで観測可能な宇宙に関するものに限定されます。しかし、現代宇宙論、特にインフレーション理論などを構築・説明する上で、観測可能な範囲の外側に広がる、より広大な全宇宙に関する考察が必要不可欠となります。

全宇宙の実際の大きさは、現代の観測技術をもってしても正確に推定することは非常に困難であり、その広がりは未だに未解明な部分が多く残されています。理論上、全宇宙は無限に近いスケールにまで膨張した可能性があり、大きさの上限がないと考えることも可能です。観測によって示される宇宙空間の曲率が測定限界以下で極めて小さいことなどから、全宇宙は観測可能な範囲よりも数十桁以上大きいと推測されており、「ほぼ無限」と表現されることもありますが、これは大袈裟な表現ではありません。

一方で、全宇宙が観測可能な宇宙よりも小さい可能性も理論上は存在します。その場合、遠くに見える銀河が実は近くにある銀河の光が宇宙を一周してできた複製像であるということもあり得ますが、これを観測的に検証するのは難しいとされています。かつて、CMBRの観測データに基づき、全宇宙の直径の下限が約780億光年であるとする研究結果も提示されましたが、これは観測的な制約によるものであり、全宇宙の真の大きさを限定するものではありません。

誤解されやすい大きさの値

観測可能な宇宙の大きさに関しては、情報源によっては誤解に基づいた様々な数値が報告されています。

137億光年: 宇宙の年齢が約137億歳であることから、光速で到達する距離がこれに等しいとする考えに基づきますが、宇宙膨張を考慮していないため不正確です。
138億光年: 単純化されたハッブルの法則から導かれるハッブル距離であり、ハッブル定数が時空全体で一定であると仮定しているため、実際の観測可能な宇宙の距離とは大きく異なります。
158億光年: 宇宙の年齢に関する誤った情報から派生した数値です。
274億光年: 上記の137億光年を半径と誤って捉え、直径として2倍した値であり、これも誤りです。
780億光年: CMBRの観測から全宇宙の直径の下限として示された値の一つであり、観測可能な宇宙の直径（約930億光年）とは異なる概念です。
1560億光年: 上記の780億光年を誤って半径と捉えて2倍した値であり、これも誤りです。

内容物質とその質量

観測可能な宇宙には、推定で300垓個から700垓個の星が存在し、これらは800億個以上の銀河に集まっています。銀河はさらに、銀河群や銀河団、超銀河団といったより大きな構造を形成しています。観測可能な宇宙に含まれる亜原子粒子の総数は、大まかな計算で約10の80乗個と推定されています。

WMAP衛星などによるCMBRの観測データは、現在の宇宙の空間曲率がほぼゼロに近いことを示唆しており、これは宇宙の平均密度が何らかの臨界値に非常に近いことを意味します。現在の推定では、総密度は約9.9×10^-27 kg/m³であり、これは1立方メートルあたり約5.9個の水素原子に相当します。この総密度のうち、詳細な分析から約4.6%が通常の原子などの物質、約23%が冷たい暗黒物質、そして約72%がダークエネルギーで構成されていると考えられています。

観測可能な宇宙内の物質の総質量は、こうした密度と体積から推定することが可能です。例えば、観測可能な宇宙内の星の総数（約90垓個）に平均的な星の質量（太陽質量を仮定）を掛ける方法がありますが、WMAPデータに基づくΛ-CDMモデルでの推定によれば、星などの可視物質は観測可能な宇宙の総質量の5%未満に過ぎず、大半は暗黒物質やダークエネルギーが占めていると予測されています。フレッド・ホイルは定常宇宙モデルにおいて、観測可能な宇宙の質量を算出する独自の式を提案していますが、これは現在の主流モデルにおける推定とは異なります。

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