遠方銀河の HD1 に関して

Question

遠方銀河に関して、
TV で、135億年前の HD1 という銀河を発見した、これはビッグバンから 3億年後であると言っていました。

今地球で観測できるということは、HD1 は 135億年前に地球から 135億光年離れたところにいたということですよね。
ビッグバンから 3億年後にそんなことが可能なのでしょうか。

yos1912 · Accepted Answer

宇宙図は一家に１枚常備というわりには難しく理解しにくいですね。３億歳の時といえば図の下の方の細かいところなのでものすごく読み取りにくいです。
　表計算ソフトで計算してみました。考え方は次の通りです。(このあたりは無視してもらってもいいかな)
１．宇宙が３億歳の時に一点から放出された光がその時の宇宙の位置で１億年後にどこまで届いているかを求めます。
　式：初めの距離－１
２．光の届いた位置が宇宙の膨張によって１億年の間にどれくらい伸ばされたかでその１億年後に地球から光があるところまでの距離を求めます。
　式：光までの仮想距離×(１＋１÷宇宙の年齢）
３．同様な計算をして、さらに１億年後の光の地球からの距離を求めます。
４．３を距離が０になる(地球に届く)まで繰り返します。

計算結果は添付図のようになります。縦軸が地球からの距離(億光年)、横軸が宇宙ができてからの時間(億年)になっています。宇宙ができてから３億年経ったときに、いろいろな距離のところからでた地球に向かう光が、いつ頃に地球からどれくらい離れたところにあるかを示しています。初めの距離は、内側から順番に６億光年、７億光年……１２億光年となっています。
　グラフでは、３億年前に地球から１２億光年離れたところから出た光は、１３４.９億年後(宇宙ができてから１３７.９億年＝ほぼ現在)に地球に到達することを示しています。
　これから考えるとＨＤ１は宇宙が３億歳の時に１２億光年離れた位置にあったことになります。この位置は、地球から光速の４倍(１２÷３)の速度で遠ざかっていますから、現在は５１２億光年離れた位置にあることになります。この数値が現在のＨＤ１までの距離と概算できます。宇宙図には現在観測できる宇宙の半径が４７０億光年となっていて、これよりも大きくなっています。計算精度を上げれば(１億年間隔を千万年間隔にするとか)数値が変わってくるのかも知れません。観測できる宇宙の端っこくらいにいるとみておいてください。

お礼に書かれていることです。
　遠方の銀河などの天体(ＨＤ１も)は、宇宙の膨張に伴って遠ざかりますから、遠ざかる速さと宇宙の膨張速度は同じになります。遠くなれば、それだけ膨張によって遠ざかる速さが速くなり、空間内で天体がどう移動しているかは無視できるようになります。
　宇宙の膨張については、アインシュタインが一般相対性理論から導き出したといわれています。当の本人はこんな事はあり得ないといって、消去する項目を加えたそうです。ところが実際に起こっていることがわかって、余計なことをしたのは生涯の過ちと言ったことは有名な話です。ただこのあたりの理論的なことは、全く理解できていません。
　宇宙の膨張については、遠方の銀河が距離に比例した速度で遠ざかっていることから考え出されたことです。宇宙ができたときになかったはずの地球が中心となるような事が起こるはずがありません。そこで宇宙の膨張を考えたらいいのではということになっています。

yos1912 · Answer

間違えていたところがあるので訂正させてください。宇宙の中で光速以上で遠ざかっているところからの光は届かないと思っていたのですが、そうではないようです。従って、１３５億年前に３億光年(この距離で光速になっています)以上離れたところから光が今やって来ることができるようです。年数と地球から観測される距離の関係については｢宇宙図｣に書かれていますから参照してみてください。真ん中のしずく型の線です。
宇宙図：https://www.nao.ac.jp/study/uchuzu/
このサイトから図面のダウンロードページにアクセスできません(１９時現在。昨日はできました)こちらでもＰＤＦファイルが見られるようです。２０ＭＢでかなり重たいです。
図面ファイル：https://www.mext.go.jp/stw/common/pdf/series/diagram/uchuzu2018-ja_A3.pdf

宇宙図の解説にも書かれていますが、１３５億光年彼方にあるというのは、光が進んできた距離のことであって、その経路は宇宙の膨張に伴って伸ばされていますから、その天体はもっと離れているところにあるといえます。

光の速さは光速でしか伝わりませんから、どこで見ても光速になります。

yos1912 · Answer

１３５億年前のことを考えてみます。地球はなかったと考えられますが、あったと仮定して話を進めます。
　ちきゅうから観測できる宇宙の大きさは、３億光年でした。宇宙の年齢が３億年で、それ以前には宇宙がなかったからです。その観測できる限界のすぐ内側(２.９３億光年)のところにＨＤ１ができました。この天体からでた光は、単純に考えれば３億年弱たつと地球に届くはずですが、宇宙の膨張に伴ってＨＤ１と地球の距離が引き伸ばされ、その分だけ余計に時間がかかるようになります。結局１３５億年かかってやっと地球に届いたということです。この時に光が進んだ距離は１３５億光年という計算になります。
　ちなみに、ＨＤ１は光速に近い速度で地球から遠ざかっているように見えます。これはドップラー効果による赤方遷移(波長が伸ばされる)として観測されています。
補足です　宇宙のインフレーション膨張はビッグバンが起こる前に終了しています。

tknakamuri · Answer

>2. アインシュタインの相対性理論によれば、
>光速度以上で地球から離れているとしても、
>HD1 から出た光は光速度で地球に達するのではないのですか。

いいえ。
これどこから思いついたのでしょう?

t_fumiaki · Answer

違います。
ビッグバンの時に地球から1mm離れたところの情報が今地球に届いたという事でもあります。

たった1mmを光が進むのに135億年かかる訳です。

理由は宇宙全体がインフレション的に膨張して、膨張速度が光速を超えるからです。

光も遠くに吹き流され、膨張速度が減速してからヤット地球に向って進めたからです。

head1192 · Answer

誕生３０万年後に宇宙の晴れ上がりがあり、そこが観測限界といわれる。
晴れ上がり後１億年ほど銀河や星が見当たらない「暗黒時代」があり、それを過ぎると星や銀河がどんどん作られた。

というのが現在の科学の推測ではあるよ。

太陽系形成にもそんなに時間はかかっていない。
宇宙を漂っていた星間ガスが付近の超新星爆発などのきっかけで凝集し始め、そこから太陽と惑星に成長するまで数百万年～千数百万年程度。

当時の宇宙も星間ガスのように物質の比較的濃い部分があちこちにあり、それが銀河のゆりかごになったと推測されている。
そういう成長核があるなら、銀河形成に数億年もの時間はかからない。

現在の銀河は天の川銀河やアンドロメダ銀河のように巨大なものだが、天の川銀河やアンドロメダ銀河が巨大なのは過去いくつもの銀河と衝突合体してきたからである。
（現在でも天の川銀河は一つの小銀河を飲み込んでいるし、大小マゼラン雲は天の川銀河に落ち込んでいる途中である）
出来立ての銀河は、大小マゼラン雲のようにもっと小さかった。
なので、形成にかかる時間はさらに短い。

遠方銀河の HD1 に関して

宇宙図は一家に１枚常備というわりには難しく理解しにくいですね。

間違えていたところがあるので訂正させてください。

１３５億年前のことを考えてみます。

>2. アインシュタインの相対性理論によれば、

違います。

誕生３０万年後に宇宙の晴れ上がりがあり、そこが観測限界といわれる。

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