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宇宙の透明な時代：再結合期の秘密とは？
観測可能な宇宙において、宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) は、観測可能な空間全体を満たす普遍的なマイクロ波放射です。通常の光学望遠鏡で観測される銀河と星の間の背景空間はほぼ完全に暗いですが、十分に感度の高い電波望遠鏡を使用すると、星、銀河、またはその他の物体に関連しないかすかな背景の輝きを検出できます。この微かな光は、電磁スペクトルのマイクロ波領域で最も強くなります。
1965年、アメリカの電波天文学者アルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンによる偶然の発見は大きな意義を持ち、1940年代の科学者の研究に終止符を打った。宇宙マイクロ波背景放射の出現はビッグバン理論にとって画期的な証拠となった。宇宙のビッグバンモデルでは、初期の宇宙は不透明で高密度の高温の亜原子粒子のプラズマで満たされていた。宇宙が膨張するにつれて、これらのプラズマは冷え、陽子と電子が融合して中性原子（主に水素）が形成されました。これらの原子はトムソン散乱によって熱放射を散乱することができず、宇宙を透明にします。
この時代の分離イベントと相まって、光子は空間を自由に移動できるようになりました。しかし、宇宙が膨張するにつれて、宇宙の膨張によって引き起こされる赤方偏移により、これらの光子のエネルギーは減少します。
これは「最後の散乱面」と呼ばれ、分離中に最初に放出された光子を受信できる正しい距離範囲です。 CMB はほぼ均一ですが、完全に滑らかではなく、わずかな異方性を示します。これらの温度不均一性を測定するために、COBE、WMAP、Planck などの地上実験や宇宙実験が使用されてきました。
異方性構造は、分離点における物質と光子間のさまざまな相互作用によって決定され、角度スケールに応じて変化する特徴的な凹凸のパターンを形成します。
CMB の異方性分布には、一連の山と谷を示すパワー スペクトルで表すことができるグリッド周波数成分があります。このスペクトルのピークは、初期宇宙の物理的特性に関する重要な情報を伝えます。最初のピークは宇宙全体の曲率を決定し、2 番目と 3 番目のピークは通常の物質といわゆる暗黒物質の密度を詳細に示します。
CMB データから詳細を抽出するのは、銀河団などの前景の特徴によって放射が修正されるため、困難な場合があります。
宇宙マイクロ波背景放射の特徴
宇宙マイクロ波背景放射は、黒体熱エネルギーがあらゆる方向から均一に放射されるもので、その強度はケルビン (K) で測定されます。 CMB の高温黒体スペクトルは、2.72548±0.00057 K の温度で最も明確に定義されます。強度の変化は温度の変化として表され、黒体温度はすべての波長における放射強度を一意に表すことができます。任意の波長で測定された輝度温度は、黒体温度に変換できます。
CMB の放射は空全体で非常に均一であり、星や銀河内の物質の塊に比べて構造がほとんどありません。その放射は全方向に約 25,000 分の 1 まで等方性です。
CMB の異方性は極めて小さいものの、その多くの側面を高精度で測定することができ、これらの測定は宇宙論の理論にとって極めて重要です。温度異方性に加えて、CMB には偏光の角度変化があるはずです。空の各方向の偏光方向は、E モード偏光と B モード偏光によって表されます。 E モード信号の強度は温度異方性の 10 分の 1 です。これは温度データの補完として機能し、温度データと相関します。
B モード信号は弱いですが、追加の宇宙論データが含まれている可能性があり、異方性の起源も偏光の物理学に関連しています。
CMB は、黒体法則から逸脱したスペクトルの小さな歪みも示すと予想されています。これは現在活発に研究されている焦点の 1 つでもあり、研究者たちは、これらには原始宇宙とその後の構造の形成に関する豊富な情報が含まれているため、今後数十年以内に初めて測定することを望んでいます。
ハッブルの V4 のチャックによると、サイズ比が 400 対 1 であるため、CMB には宇宙にある光子の大部分が含まれており、その数密度は宇宙にある物質の 10 億倍になります。これは、宇宙の膨張によってCMBが冷却されなければ、夜空は太陽と同じくらい明るくなることを意味します。
歴史的観点から
宇宙マイクロ波背景放射の存在は、初期の学者によって予測され、研究されていました。 1931年、ジョルジュ・ルメートルは初期宇宙の残骸が放射線の形で観測できると推測し、1948年にはラルフ・アルフとロバート・ヘルマンが宇宙マイクロ波背景放射の存在をさらに予測し、その温度を約5ケルビンと推定しました。若干のずれはありましたが、理論的基礎は形成されていました。
宇宙マイクロ波背景放射が初めて確実に検出されたのは 1964 年で、プリンストン大学の科学者が宇宙マイクロ波背景放射を測定するための機器の構築を開始し、その後 1964 年にアルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンがベル研究所で偶然にマイクロ波背景放射の存在を発見しました。
1965年、この発見はマイクロ波背景放射の存在を実証しただけでなく、ビッグバンモデルを裏付ける宇宙論の分野における大きな進歩となりました。
技術の発展に伴い、COBE、WMAP、Planck などの検出器は宇宙マイクロ波背景放射に関する詳細な研究を継続し、宇宙の形成と進化を理解するための確固たる証拠と理論的指針を提供してきました。
現在でも宇宙マイクロ波背景放射の研究は続いており、科学者たちは初期宇宙に関する情報の探究に熱心に取り組んでいます。では、宇宙マイクロ波背景放射にはどんな未解決の謎が隠されていると思いますか?
