オルバースのパラドックス

Question

「宇宙が暗いのはおかしい」というオルバースのパラドックスは、宇宙膨張によって説明されているのでしょうか？

宇宙は可視光としては暗く見えますが、宇宙背景放射として、宇宙の全方向から2.7Kの電波が観測されてます。

もし、宇宙が暗い原因が、宇宙膨張によって起こっているなら、宇宙の全方向から2.7Kの電波が観測される現象と矛盾しないでしょうか？

satoumasaru · Accepted Answer

No3です。

＞その宇宙に均等に漂う塵やガスが、2.7Ｋの黒体放射のスペクトルを放射しているのではないでしょうか？

宇宙には銀河系や銀河団があり重力には当然ムラがあります。宇宙塵は当然重力に応じてムラが生じます。ですが宇宙背景放射にはほとんどムラがないなめらかな状態なのですよ。

＞単に宇宙空間で物質同士の熱伝導が起こり宇宙の温度が2.7Ｋになっているだけ」だと思うのですが、間違っているでしょうか？

間違っています。どこをみても宇宙の温度が2.7Kになっているのですよ。物質はここまで均等に宇宙に分布しているわけではありません。

＞可視光は届かなくて宇宙は暗いですが、温度エネルギーは、宇宙から届いているので絶対温度0度ではなく、2.7度の温度があると思います。

おっしゃるとおりです。

tknakamuri · Answer

オルバースのパラドックスというのは、
「もし宇宙が無限なら、地球には、宇宙全体の恒星から無限の光が届くので
夜空は無限の輝きになるはず」
というもの。

途中にガスや塵など光を吸収するものが有っても、
ガスや塵が光を再放出しないと無限の高温になって結局光を放出するため
ガスや塵はパラドックスを否定する理由にならないというものです。

現実には、宇宙膨張で、地球に光が届く宇宙の範囲は有限なため
パラドックスは存在しないことになります。
また、宇宙が有限の体積を持つ可能性もあります。

satoumasaru · Answer

No1です。丁重なお礼ありがとうございます。

＞銀河同士が遠ざかっているのは、超新星爆発の赤方偏移から、そう言えます。

ハッブルが宇宙膨張を発見したのは、超新星ではなくセファイド変光星からです。この周期と光度が比例していることから割り出したのです。もっとも遠い銀河はセファイド変光星の観測ができませんので、超新星Ia型から距離を判断します。

＞『「宇宙が暗いのはおかしい」というのが、間違っている』と言えると思います。

かならずしもそうとは言えません。絶対温度2.7度というのは液体窒素が凍る温度よりも低く、ヘリウムが超流動などという不思議な現象が生じるほどの温度です。どんなに真っ暗な部屋をつくっても部屋の壁の温度に相当する赤外線が放射されていますので、宇宙の暗黒にはかないません。

＞恒星等から出た光は、宇宙空間の塵などに錯乱されて、2.7ｋの黒体放射のスペクトルになるのではないですか？

星の光の散乱光というモデルでは、かならず非等方性が生じます。宇宙塵だったら引力により方角によってムラが生じるのですよ。また宇宙塵だとスペクトルがなめらかにはなりません。ところが、宇宙背景放射は黒体輻射と完全に一致します。ですので定常宇宙論が廃れたのです。

下記に宇宙背景放射と2.7Ｋの黒体輻射が見事に一致するグラフをあげておきます。科学でここまで理論値と観測値が一致するのは珍しいです。

下記の図は、衛星による宇宙マイクロ波背景放射のスペクトル（赤）と黒体放射のスペクトル（青）を比較した図です。

masa2211 · Answer

オルバースのパラドックスとは、
宇宙の明るさは無限になるはずのところ、現実は有限
ということ。
よって、2.7K相当の明るさ、というのは有限を意味するので、矛盾ではありません。

＞全宇宙の光が、宇宙空間のチリやガスに衝突してエネルギーを失う
オルバースのパラドックスの設定条件は、
1.恒星は宇宙空間に均一に分布する。（恒星でなく、銀河とか銀河団に読み替えても理屈は同じ。）
2.宇宙の大きさは無限。
3.宇宙全体の光が地球に届く。（＝宇宙の年齢は無限 or 光速は無限。）

であるので、どれか1つでも破綻すれば宇宙の明るさは有限になります。
ですので、宇宙の年齢が有限（年齢150億年なら、150億光年までの光しか届かない）であれば、たとえ宇宙膨張が無くても明るさ有限になるし、
恒星-銀河-銀河団......という階層構造ごとに恒星密度が激減する場合でも
明るさ有限になります。

光が、宇宙空間のチリやガスに衝突してエネルギーを失う場合を考えると、
それ、チリやガスの温度が上がって発光することを意味します。無限時間経過後はエネルギー吸収量と発光量は釣り合います。
よって、設定条件のもとでは意味ないです。
ただ、宇宙年齢有限とか宇宙膨張とか、設定条件が狂った場合、チリやガスは発光しない（＝いまだ温度上昇中でありエネルギー吸収中。全くの未発光という意味ではない。）ことになります。

satoumasaru · Answer

宇宙膨張をしているから宇宙背景放射が2.7ｋという極めて弱い光になっているのですよ。オルバースのパラドックスは全ての空間が同一密度ということが条件となっています。膨張すると言うことは遠くになるほど光が弱くなります。ですので宇宙膨張があるからこそパラドックスが成立しないのですよ。

なお宇宙背景放射はビッグバン宇宙論の有力な証拠とされています。対立する定常宇宙論からは宇宙背景放射の原因が宇宙空間の塵などに錯乱されてできているのではないかとの反論がありました。しかしこの説も精密な観測により否定されています。なによりも現在の宇宙背景放射のスペクトルは黒体放射のスペクトルに見事に一致しています。

(画像はwikiのオルバースのパラドックスより引用）

オルバースのパラドックス

No3です。

オルバースのパラドックスというのは、

No1です。

オルバースのパラドックスとは、

宇宙膨張をしているから宇宙背景放射が2.7ｋという極めて弱い光になっているのですよ。

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