ハッブル宇宙望遠鏡の事を考えていて、3つの疑問が浮かびました。まずはそ

ハッブル宇宙望遠鏡の事を考えていて、3つの疑問が浮かびました。まずはその前提として、ハッブルはかなり初期の宇宙（１２０億年程前）の姿を映した、という事になっていますよね。

（1）その撮影をする際、近くに邪魔な星が無い方向ならどこでも過去の宇宙が見えるのは何故でしょう。その星と地球の間の空間が膨張している状況でも、相対的な光の速度は一定なわけですから、仮に地球（のある座標）がビッグバン直後に宇宙の中心付近にあったとしても、当時周辺にあった"できたての小さな宇宙"が放った光がどの方向からでも120億年以上かけて到達するというのはある種の矛盾した現象ではないですか？
　つまり、空間の伸縮で光の速度が一定であることを証明しようと考える場合に「空間の方向軸」と「長い時間軸」を考慮すると矛盾が生じませんか？（その光が絶対に地球に到達しないか、宇宙の初期段階で追い抜かれてしまうか、一定の方向にだけ到達するか、のいずれかになるような・・・）
（2）逆に、上記の状況が可能なほど歪んだ膨張の仕方を仮定した場合に（それ自体がかなり不自然のような気がしますが）今度は過去のある一瞬の光だけが見えているのが不思議ではないですか？つまり、長い時間軸の光が同時に到達してしまいせんか？
（3）それらを総括して、長い長い宇宙の膨張の歴史を考える場合に「空間（の中でも方向）」「時間」「光」の概念はどのように考えれば良いのでしょうか？

気になって眠れません。どうか、素人にも分かりやすいよう説明していただけませんか。

No.12 ベストアンサー 回答者： hikimura 回答日時： 2010/09/27 04:23

NO.7です。

宇宙が閉じているか開いているかの議論決着はまだ付いていないようですが
仮に閉じている場合でも、宇宙を回り込んだ光が届く事はないです。
地球視点の「事象の地平線」の外に出てしまうので、光が地球に追いつけない。

例えば地球とA銀河、B銀河で正三角形の形となる関係があるとする。
それぞれの辺の長さが100億光年としましょう。

宇宙の膨張は当然進行方向だけでなく、100億光年向こうの地球と平行方向でも同じだけ生じている。
時間と共にAB間距離も膨張するから、60度角で地球から発射した光は外向きに反っていきそうな気がしますが
三角形そのものが大きくなっていくから、どの角も60度、どの辺もまっすぐなままで矛盾は生じません。

光が通り終わった空間も全方位膨張を続けるから、数百～数千億の光跡を辿った線もまっすぐになる。

ただコレに時間変化を加えた図を描くと
最初の三角形の大きく外側に、長時間経過して大きく拡大した巨大三角形が描かれる。
小三角形の地球点と、大三角形の銀河点を結んだ光跡が描かれ、光跡角度60度から徐々に広がり
光跡自体も「残り距離的な」等速ではないから、確かにまっすぐではないかも…

でもコレだとこの宇宙以外に絶対位置と膨張しない座標を持った神の視点になってしまう。
思考的な宇宙外から見れば膨張によって中の事象が歪んで見えるかもしれません。

宇宙の当事者のたる我々が実際の宇宙で作図のような三角を俯瞰で見ても
3点が地球から真っ直ぐ離れて、三角形の見掛けの大きさが変わらないから、
各点からの光跡も60度でまっすぐにしか見えないのです。

この回答へのお礼

つまり、地球儀に例えた120億光年先のドーナツはウルグアイ沖ではなく、日本よりも小さい
スケール（まさに地平線の手前）ということですね。
時空の概念というよりも、自分の考える宇宙のスケール感がおかしかったようです。
これで、ほとんど全ての疑問に納得がいきました。本当にありがとうございました。

お礼日時：2010/09/28 21:53

No.11 回答者： hikimura 回答日時： 2010/09/26 03:08

(；‐ω‐)ホント、スイマセン。

No7です。

宇宙膨張は「遠い物ほど加速している」というのは
そう見えるだけで、遠くの空間ほど大膨張しているわけでは無いんですよ。

最初に記したとおり、同じサイズの空間なら膨張率は同じ。
70.5±1.3km/s?Mpc（326万光年あたり、秒間約70.5km）

50億光年とか100億光年と元手がデカくなると
その利息が積み重なって大きくなるだけなんです。
その結果、銀河が遠いほど地球との相対速度が速く見える。

宇宙全体は一様に膨張していて、歪んでるわけではないのです。
例えると、銀河団を点に置き換えて宇宙全体を拡大コピーし続けてるような感じでしょうか。

この回答への補足

私の疑問にお付き合い頂き、本当にありがとうございます！

宇宙の膨張については、私も先日まで同様の認識で何の疑問も持ちませんでした。
今も、シンプルにその事だけを考えるのには何の疑問も無いです。


1つ確認させてください。当初の質問より一歩進めますが、120億光年先が全体に
見えているという事は、おそらく宇宙が閉じているという事も示唆していると
思います。宇宙空間全体が均一に膨張している"閉じた"宇宙空間を私たちが認識
している3次元的な世界に置き換えると、遠方にいくほど空間が歪んでいることに
なりますよね？『膨張によってどれだけ銀河が離れても視角度が広がって隙間が
増していくことはないんです。』というのはそういうことだと思うのです。
地球儀を2次元の世界地図に展開したときの歪みを宇宙空間の"3次元的なゆがみ"と
表現しました。

今から書くイメージが正しいのか分かりませんが、閉じている宇宙空間を
風船のように膨らんでいく地球儀の表面に例えます。地球儀のウルグアイ沖に
ドーナツ状の円を書き、そこが東京からの最短距離が120億光年の地点とします。
その線上の点Ａから、あらゆる方向に飛び立った無数の飛行機を天体の発光と
します。（飛行機の飛行中、この地球儀はどんどん膨らんでいます。）
最短方向に飛び立った飛行機が東京に着陸しますが次の瞬間、少し遠回りした
飛行機が時間差で到着します。逆に言えば同じ天体の裏側、過去、未来が
同時に到着します。となると、同じ天体の過去と未来で空が埋め尽くされて
しまいます。

このモデルで最短距離（直進）しか到達しないようにするには膨張の速度を変えて
辻褄を合わせるしかないのですが、今度は均等な膨張のモデルが破綻します。

私たちが日常で感じる方向の概念はどこへ忘れてきてしまったのでしょう？
この地球儀の思考実験は、どこに問題がありますか？

補足日時：2010/09/26 22:47

No.10 回答者： hikimura 回答日時： 2010/09/26 02:42

たびたび(´‐ω‐)スイマセン、NO7です

＞ある方向には120億年前の天体が見え無い、(もしくは少ない)という状況にならないのは何故

全天球方向に高密度に初期銀河が存在していたからです。

ハッブルが一見何も無いように見える夜空の狭い範囲を大伸ばししてみたら
無数の古い銀河が浮かび上がってきた。

そんじゃ、さらにその中の隙間に見える部分を拡大してみたら
さらにさらに古い銀河がたくさん浮かび上がってきた。

でもこれを繰り返すと無限に古い銀河が見えるわけではなく
初の恒星誕生と考えられる132億年前より古い天体発の光は無いので
いずれはどれだけ拡大しても何も検出されない範囲が出てきます。

自分から離れていくAさんとBさんがいるとします。
Aさんの進む方向に対して、Bさんは30度違う方向へ離れていく。

AさんとBさんの間の実際の距離は当然離れていくわけだけど
自分から見るAさんBさんの間の長さは何億km離れても変わりません。

膨張によってどれだけ銀河が離れても
視角度が広がって隙間が増していくことはないんです。

No.9 回答者： hikimura 回答日時： 2010/09/26 02:06

No.7です。

(1)その撮影をする際、近くに邪魔な星が無い方向ならどこでも過去の宇宙が見えるのは何故でしょう。

120億年前の夜空のリアルが今見えている。
光が到達できなかった都合で当時はハッブルが観測したようには当然見えていなかったが
ハッブルが最近観測した「14秒角に3000個の銀河密度」で全天が覆われる程の「詰まった宇宙」だった。

もちろん、120億年経過した現在、ハッブルが捉えた見かけの位置に
「14秒角に3000個密度」の銀河は既に有りません。

現在はみんな400億光年とか時空の彼方へ広がり散っています。
今後何千億年と地球からの観測を続ければ、西暦2010までの120億年間の変化を観察できるでしょう。
恐らく同倍率で見る一つ一つの銀河の視直径がだんだん小さくなり、光も弱くなっていく。

ABCDの天体が当時地球から大体同じ距離にあったのなら
間の距離が受ける膨張はどっち方向でも等しいので
条件が大体等しいなら、当時の光が地球に届くのも大体同じ頃になります。

＞つまり、空間の伸縮で光の速度が一定であることを証明しようと考える場合に
＞「空間の方向軸」と「長い時間軸」を考慮すると矛盾が生じませんか？

↑コレの状況がイマイチよく分からない…具体的に例えるとどんな状況でしょう

No.8 回答者： yama_3781 回答日時： 2010/09/25 10:31

現在見えてる宇宙は

http://www.nao.ac.jp/study/uchuzu/rule.html
にあるしずくの部分が見えてます。
ご参考まで　国立天文台ＨＰより

参考URL：http://www.nao.ac.jp/study/uchuzu/rule.html

この回答への補足

とても分かりやすいページを紹介していただきありがとうございます。
私も何の疑問も無くまさにこの図のように認識していました。

つまり、120億年前（図で言う17億年後）の天体の見える部分（しずく）は
地球から見て全方向にあると考えていました。宇宙が均等に膨張するというのは
そういう意味ですから。ですが、宇宙が3次元的に加速しながら膨張する様子を
考えたときに、辻褄が合わない（光が到達できない）不都合な方向が生まれませんか？

補足日時：2010/09/25 22:13

No.7 回答者： hikimura 回答日時： 2010/09/25 08:21

あくまで重力影響が非常に薄い銀河団間くらいの話ですが

宇宙空間は観測した結果1光年辺り、毎秒21mm程度膨張している。
10光年で毎秒約21cm、1億光年で毎秒約2100km。

コレに逆らって進む光が到着まで何十億何百億掛かっても矛盾しないと思うのだけど。
だって、出発時に10億光年でも到着時の彼我距離は400億光年になってる事だってあるから。

光が光速で進み終わった距離もその後にドンドン伸びていくから
全体が光速と同じ毎秒30万kmで拡大しても少しずつ残り距離は減っていくよ。
残り距離が減るほどに利息も小さくなるので、残り距離の光年と年の差も狭まっていく。

実際には秒間の利息が30万kmを越える空間からの光も届いている。
この辺、数字的にどう計算すべきかよく分かりませんが…

この回答への補足

素晴らしい解説ありがとうございます。

私の疑問はこの次です。宇宙空間が膨張している中、この光線はどこから、
どういった経路で地球に向かってきたのでしょう。ある方向には120億年前の
天体が見え無い、（もしくは少ない）という状況にならないのは何故ですか？

補足日時：2010/09/25 22:30

No.6 回答者： Kunfu 回答日時： 2010/09/25 00:57

疑問の根本をご理解いただいたようですね。

超長文ですが、お付き合いください。

「宇宙のどこかに宇宙の中心または膨張の中心」があるはずだということが誤解の出発点です。
それが違うということを理解すると、宇宙の見方が変わります。疑問は全部消えます。
現在、宇宙のどこにもビッグバンの中心または宇宙そのものの中心は存在しないと考えられています。

観測上、遠い天体ほど大きな速度でわれわれから遠ざかるように見えます。
１パーセク（約３２６万光年）離れるごとに遠ざかるスピードが秒速７０．１kmづつ速くなります。
これが宇宙望遠鏡の名前にも冠されているエドウィン・ハッブルの発見した法則です。

この法則が意味しているのは、地球が宇宙の中心にあるということではありません。
宇宙全体が同じように膨張していると考えることによって、遠く離れた天体ほど速く遠ざかることが説明できます。
宇宙には中心も果てもないということです。

四次元時空は想像しにくいので身の回りに次元を下げて、よくゴム風船にたとえられています。
ゴム風船に空気を入れて膨らませるのが宇宙の膨張と置き換えます。
風船の表面は二次元ですがこれは次元を下げた空間と考えます。
この空間は有限ですが、どっちに行っても果てはありません。
どこでもいいので、ある１点に印をつけたとして、そこから見てゴム表面（空間）が膨張すると、遠い部分ほど同じ時間内に離れていく距離が大きくなります。
それは、たまたま印をつけたところが膨張の中心だったからではありません。
他のどの点でも同じように遠い部分ほど速く離れていきます。

ハッブルの発見から、時間を逆に遡れば宇宙は非常に小さくなって、ある１点から爆発するように始まったのではないか？と考えられるようになりました。
これがビッグバン理論のきっかけです。
ビッグバン理論は多くの学者によって研究されて、現在では大体以下のように考えられています。
宇宙は大きさを持たない１点ではなく、大きさはあるものの素粒子より小さいプランク長のサイズで誕生し、１０のマイナス３４乗秒というわずかの間に１０の３０乗倍に膨らみます。
これをインフレーションと言いますが、それが終わった段階で空間全体がビッグバンを起こします。
やがて高温・高圧の灼熱状態だった宇宙は膨張して冷えていきます。
物質ができて、星が誕生し現在に至るのですが、ビッグバン時の灼熱の光が現在でも観測されています。

アメリカのベル研究所でマイクロ波の研究をしていたとき、研究者は雑音に悩んでいました。
いったい邪魔なマイクロ波の発生源はどこなんだろうと探ってみると、宇宙からきていることが分かりました。
さらにどの方向からなのか観測すると、宇宙のあらゆる方向からきていたのです。
これこそビッグバンのときの光の波長が引き伸ばされてマイクロ波になったものでした。
宇宙のどこかに中心があるのなら、その爆心地の方向からマイクロ波は届くはずですが、あらゆる方向から届くのは宇宙空間全部でビッグバンが起きた証拠と考えられています。
この功績により研究者だったベンジアスとウィルソンは後にノーベル賞を受賞しています。

さきほどのゴム風船を思い浮かべてください。
宇宙のすべての場所から光が発し、周りに広がります。宇宙は光に満ちています。
もしビッグバンが一瞬としても、その光は宇宙に満ちているのです。もっとも光からマイクロ波に波長は伸びていますが。
波長が伸びるのは空間が膨張しているから（相対論的赤方偏移）で、かつてはドップラー効果によるものだと思われていました。
光がゴム風船の反対側に届くかというと、膨張する速さの方が勝っているので届くことはありません。
逆に地球から観測できるのもゴム風船の一部だけです。
現在、地球に届くビッグバンのマイクロ波の発信源は、１３７億年前は数キロメートル先にあったところでした。
それが宇宙の膨張により４７０億光年の彼方に遠ざかっています。
その先にも宇宙は続いますが、観測はできません。われわれの観測可能な宇宙はゴム風船のうち半径４７０億光年の領域です。
よく宇宙の年齢は１３７億年なので、観測できる範囲は半径１３７億光年と思われていますがそれは誤解です。

もし、宇宙全体がビッグバンを起こしたのでなく、どこかに爆心地があるとすれば、われわれは既にビッグバンの光を観測したか未だ観測していないか２つに１つです。
ところが、現にいつでも宇宙の背景放射であるビッグバンのなごり（マイクロ波）が観測できるのは、宇宙のどこかに中心があるわけでない証拠です。

この回答への補足

素晴らしい回答をありがとうございます。
確かに、ビッグバンの光が背景放射として全方向から到達している事実が
私の思う矛盾が存在しないことを証明しているのだと思います！

風船のモデルはよくテレビなどで見かけますが、概念的すぎて具体的に
空間としてイメージするのが難しく、そこを自分が間違って理解している
可能性が高いです。（只今猛勉強中です）

確認ですが、便利上、地球を基準にして観測される3次元の世界をこの膨張する
宇宙のモデルに重ねると、その過程で見かけ上は3次元空間が複雑に歪んでいく
ように見えますよね？その座標に天体を乗せて、膨張の加速を考慮すると、
１２０億年前の光が全方向から同じように赤偏して地球に届くことに不都合が
起きませんか？そもそも、この3次元的に歪みのあるモデルが間違っているので、
私の空間認識が間違っているというご指摘を受けているのでしょうか・・・。

でも、3次元的に歪みの無いモデルで、同じように赤偏していて同じ距離の天体と
いう事実を受け入れると、今度は到達にかかる時間が違う（歪んでいる）という
ことになって、全て同じ120億年前の光と言えなくなりませんか？

質問ばっかりですみません。ハッブルが近くの銀河と同列であまりに遠い過去を
"観測"してしまったので、自分の見たミクロの事象とマクロの概念を重ねて理解
したいという誘惑にかられたのが悩みの根源ですかね。

大変失礼な言い方になってしまいますが、Kunfuさんや、宇宙の専門家の方は
これを統一した法則として理解（納得）されているんですよね？
自分の頭の悪さが嫌になります。

補足日時：2010/09/25 23:27

No.5 回答者： df49849 回答日時： 2010/09/25 00:32

1.

物質（エネルギーを含む）は光速以上で動くことはできない。空間は物質でもエネルギーでも無いものなので光速を超えることは何ら問題ありません。


他の言い方だと、私たちが何かを認識する。化学反応が起きる。といった現象は、物質・エネルギーのやりとりが必要です。このやりとりは光速を超えたスピードでは行えません。

空間の広がりは離れた2つのビー玉に物質・エネルギーを与えて（やりとりする）移動させるのではなく隙間を広げて行ないます。
隙間を広げるという行為をするのにビー玉は必要ありません。ビー玉がなくても隙間は広がります。
スピード（光速）は2つの物体があって初めて定義されます。2つの物体の相互関係によって初めて決まります。ひとつしかない物体は動いているのか止まっているのか判断できないからです。
隙間を広げるという行いはビー玉（物質・エネルギー）がなくても行える行為であり、2つの物質・エネルギーがあって初めて定義される速度（光速）は隙間（空間）を広げるという行為を縛る（矛盾）ことはできません。


宇宙は初め光の速さを超えるスピードで膨張し、減速、そしてまた加速に向かっています。

今より昔は、過去の宇宙は見えません。光が届く前に空間の広がりによって遠ざかる。
今より未来も同じことです。

私たち人類は過去の宇宙を観測できる最適な時期に生まれたのです。奇跡。

120億年以上かけて今光が届くのは、宇宙が生まれた頃の光速を超える空間膨張の時の貯金があるからです。

この回答への補足

本当に奇跡なんでしょうか？
10億年前にハッブルがあれば、今とは別の120億年（今で言う130億年）前の天体が見えたという事では・・・。
違ってたらごめんなさい。

補足日時：2010/09/25 22:06

No.4 回答者： Kunfu 回答日時： 2010/09/24 20:37

申し訳ありませんが、ここで質問されても正しい回答は得られないと思います。

私、他の方の回答をみてビックリしちゃいました。
私も回答文を書いてみましたが、超長文になるので断念しました。
長すぎるので、自分のブログ用にします。せっかく書いたのにもったいないので。

できれば本屋に行って今月号のNewtonを買うか図書館に行って読んでください。「宇宙の始まりの１秒」について詳しく書いてあります。
もしバックナンバーが見られるのであれば、同誌2009年11月号「宇宙についてのよくある誤解」、2008年7月号「宇宙論」をご覧になるとよいと思います。

一つだけ、ご指摘させていただきたいのは、「宇宙の中心」はありません。
また、「ビッグバンの爆心地」もありません。
これに対するあなたの誤解が悩みの元凶の「１００％」なのです。

では、勉強してください。

この回答への補足

私も、他の方の回答にビックリしました。
質問の趣旨が伝わらないのは自分の文章力にも責任があると反省しています。

Kunfu様のご指摘から、私の考える「方向」の概念の認識に問題があるいうことまでは
わかりました。が、疑問は解決していませんのでさらに勉強してみます。

回答はもうしばらく受付ようと思いますので、気が向いたら
さらに教えて頂けたら幸いです。

補足日時：2010/09/24 21:54

No.3 回答者： tetsumyi 回答日時： 2010/09/24 20:35

私も矛盾を感じます。

光の地平線があるとすればそれより先（遠い過去）の星は見えないことになりますが
ではどうしてビッグバンの痕跡として宇宙背景輻射が観測できるのでしょうか？
ビッグバン以来星はほとんど連続的に存在しているはずですから赤外線となってまた電波となって観測できるはずです。
光の地平線があるなら背景輻射はビッグバンの痕跡ではないはずです。