(小谷太郎:大学教員・サイエンスライター

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 2019年ノーベル物理学賞が10月8日(日本時間)に発表されました。今年は宇宙物理学関連の2分野3氏が受賞しました。

 アメリカプリンストン大のジェームズ・ピーブルス名誉教授(1935-)が、「宇宙論における理論物理学上の発見」で2分の1を受賞し、残る2分の1をスイス・ジュネーブ大のミシェル・マイヨール名誉教授(1942-)とディディエ・ケロー教授(1966-)が「よその恒星を周回する惑星の発見」で分け合いました。

 天文・宇宙物理学分野にノーベル物理学賞が分配されるのは、(最近やや増加の傾向がありますが)3〜4年に1回程度の珍しい出来事です。宇宙と天文が大好きなこの連載としては、めでたい受賞を大喜びで解説いたします。

ピーブルス名誉教授と宇宙論のバイブル

「宇宙論」とは物理学の一分野で、この宇宙がいつどのように始まったか、宇宙全体がどのような構造を持つか、といったことを研究します。この哲学的で格好いい学問は、宇宙の存在する理由を明らかにすると期待されますが、今のところまだその答は得られていません。

 今回ノーベル物理学賞を受賞したピーブルス名誉教授は、もちろんこの分野に大きな貢献をしてきたことで名高いのですが、それに加えて、何冊もの宇宙論の教科書の著者として、業界では有名です。それらの本は後のものほど厚くなり、1993年に出版された『Principles of Physical Cosmology(物理的宇宙論の原理)』に至っては700ページを超える大著です。

 宇宙論を先導してきたピーブルス先生によるこれらの本は、この分野を学ぶ学生や研究者の必読書です。筆者もこの教科書で勉強しました。宇宙論のバイブルと呼んでいいでしょう。この受賞を機に、先生の名著が邦訳されることを期待しましょう。

研究テーマは宇宙から来るマイクロ波

 ピーブルス先生の宇宙論への貢献は、「宇宙マイクロ波背景放射」の発見と共に始まります。

 この宇宙マイクロ波背景放射という、長たらしい呪文のような専門用語は、いったい何を意味するのでしょうか。

 実はこれは、宇宙がどうなっているかを教えてくれる超重要な物理現象で、これを調べるとノーベル賞ごろごろ転がり出てくるのです。

 マイクロ波とは、電波のうち、波長が1mm〜1mのものをいいます。電子レンジは食品にマイクロ波を照射して温める装置です。

 1964年、ベル研究所のアーノ・アラン・ペンジアス博士(1933-)とロバートウッドロウウィルソン博士(1936-)は、衛星からの電波を受信する実験を行なっていて、奇妙な雑音に気づきます。アンテナを空に向けると、マイクロ波が入ってくるのです。装置に不具合がないかどうか確かめ、巨大なアンテナについた鳩の糞を掃除することまでしましたが、雑音は消えませんでした。

 この宇宙からのマイクロ波は、特定の天体からやってくるのではなく、空のどの方向からも降り注いでいます。まるで空全体を覆う壁が星々の背後にあって、それがマイクロ波を放射しているかのようです。これが宇宙マイクロ波背景放射、英語で“Cosmic Microwave Background Radiation”、略して「CMBR」の発見です。

 この不思議なマイクロ波について知った、ピーブルス先生を含む宇宙論研究者は、その正体に気づきます。この宇宙マイクロ波は、100億年以上の遠い過去、宇宙が超高温・超高密度の火の玉だったとき、宇宙を満たしていた放射の名残です。100億年以上経って宇宙は膨張して冷え、その時の放射が今頃になってアンテナに届いたのです。

 この宇宙マイクロ波背景放射は、発見された瞬間に、宇宙が高温・高密度のビッグバンによって誕生したことを証明しました。ペンジアス博士とウィルソン博士は1978年ノーベル物理学賞を受賞しました。宇宙マイクロ波背景放射によるノーベル賞第1号と第2号です。

宇宙マイクロ波はノーベル賞の鉱山

 宇宙マイクロ波背景放射は、宇宙空間100億年以上飛び続けている古い光です。これを観測することは、100億年以上前のビッグバンを観測することです。化石を調べると地球の過去が分かるように、宇宙マイクロ波背景放射を調べると宇宙の過去が分かるのです。

 宇宙の過去、100億年以上前のビッグバンのさなかでは、何もかも溶けてしまう超高温・超高密度の空間で、クォークやらレプトンやら人類がまだその貧弱な加速器の中で見たことのない未知の粒子やらが飛び交い、衝突し、水素の原子核やヘリウムの原子核が大量に生じ、それからたぶんもっと大量の、ダークマターと呼ばれる正体の分かっていない「物質」が生じました。

 宇宙マイクロ波を観測すると、そういうありさまが観察でき、水素やヘリウムダークマターがどれだけ生じたか分かり、現在の宇宙がどうしてこのような姿なのか、分かっちゃうのです。

 1989年、宇宙背景放射探査機コービーCOBE;Cosmic Background Explorer)が打ち上げられ、宇宙マイクロ波背景放射の詳細な観測を行ないました。コービーマイクロ波放射のわずかなむらむらを検出することに成功しました。

 このむらむらは、ビッグバン当時の宇宙の情報を豊富に含んでいます。宇宙がどんな状態にあったかによって、このむらむらのサイズや強度が違ってきます。

 このむらむらを20年前から予想し、計算して、待ち構えていたのがピーブルス先生です。コービーの測定結果はピーブルス先生の計算に当てはめられ、宇宙の年齢や物質量ダークマター量などの「宇宙論パラメーター」が精密に決定されました。

 他の観測結果を合わせた最新の測定値だと、たとえば宇宙の年齢は、13799000000±21000000年、つまり約138億年前です。宇宙の観測可能な範囲は約467億光年です。宇宙空間の温度は2.718±0.021K、つまり-270.432℃です。宇宙空間には通常の物質の5.354倍のダークマターが存在し、さらに「ダークエネルギー」というわけの分からないものが14.22倍存在します。人類が知っている種類の物質は宇宙の約5%だけです。

 宇宙マイクロ波背景放射を測定することで、宇宙論はとんでもなく精密な科学になったのです。

 コービーチームは、2006年ノーベル物理学賞を受賞しました。宇宙マイクロ波背景放射関連の第3号と第4号です。

 宇宙マイクロ波で5番目にノーベル賞を受賞したピーブルス先生は、ここで紹介しきれないほど多くの理論的な発見を行なっています。現在の人類が理解している宇宙の姿は、ピーブルス先生の予想に基づくといっていいほどです。

ペガスス座51番星b

 さて今回のノーベル物理学賞を受賞したもう一方の研究は、よその恒星を周回する惑星の発見です。

 よその惑星発見物語は、この連載の大好物で、これまで何回も紹介してきました。以下にリンクを示します。今回の受賞は、ようやくスウェーデン王立科学アカデミーもこの重要性を理解したか、という感じです。

「4番目に近い恒星、バーナード星にも惑星があった」
(https://jbpress.ismedia.jp/articles/-/54850)

「人類が大捜索! 『地球外生命』発見計画が発動へ」
(https://jbpress.ismedia.jp/articles/-/50451)

系外惑星」、つまりよその惑星は、今ではすっかり当たり前の存在になっています。2019年現在で4000個以上が確認されていて、なおも指数関数的に増えています。

 けれども、ついこのあいだの1995年までは、人類の知っている惑星といえば、水金地火木土天海冥の9惑星(当時)しかなく、よその恒星に惑星が見つかる日が果たして来るのかどうか、誰も知りませんでした。

 1995年、マイヨール名誉教授とケロー教授は、ここから45光年離れた恒星「ペガスス座51番星」を周回する巨大惑星「ペガスス座51番星b」を発見したと発表します。(惑星の名前には「b」がついてます。) 人類の初めて知るよその惑星です。

 このノーベル賞級の発見は、世界に衝撃を与えました。よその惑星は実在し、そして発見可能なのです。

ホットジュピター

 初めて見つかったよその惑星ペガスス座51番星bは、いろいろ特殊な性質を持っていました。太陽系の惑星と全然違うのです。

 この惑星は、我らが木星の0.47倍以上の質量を持ち、たった4.23日で主星を周回します。つまり、ペガスス座51番星bの1年は地球の4.23日です。

 軌道周期が短いということは、この惑星が主星のすぐ近くを周回しているということです。その軌道長半径は0.05天文単位、なんと我らが水星と太陽の距離よりも短いです。このため、この惑星の表面温度は1300℃以上と見積もられました。

 よその惑星第1号は、木星に匹敵する巨大な惑星が、水星よりも短い軌道長半径でぎゅんぎゅん周回しているという、想像もしていなかった姿をしていたのです。

 このような主星に近い巨大惑星は、その後「ホットジュピター(熱い木星)」と呼ばれるようになります。

 これまで太陽系の惑星しか知らなかった人類は、「よその惑星も、主星に近いなら地球のような岩石惑星になって、遠ければ木星のような巨大惑星になるんじゃないかな」などと漠然と考えていたのですが、ペガスス座51番星bはそういう予断を吹き飛ばしました。

 その後、主星から逃げだしそうにひしゃげた楕円軌道を描く巨大惑星だとか、巨大な岩石惑星など、太陽系の惑星とは似ても似つかない惑星が多数見つかります。太陽系は全然スタンダードな惑星系ではありませんでした。

 井の中の蛙のような人類の予想を、広い宇宙は常に上回るのです。

今では惑星4000個

 さてマイヨール名誉教授とケロー教授によって、よその惑星が発見可能であると実証されると、その後の進歩は目覚ましいものでした。ドップラー法、トランジット法などの手法で次々とよその惑星が見つかります。

 特に、2009年に打ち上げられて2018年まで活躍した惑星発見機「ケプラー」は、なんと5000個以上の惑星候補を発見します。

 ケプラーの発見した惑星候補は、地上望遠鏡などの他の手法で惑星と確認され、現在では4000個以上のよその惑星がリストに載っています。また、TESSなど次世代の惑星発見機も運用を開始しています。

 こうして、惑星の概念は、20世紀と現在ではまったく異なるものになってしまいました。というより、現在の人類にとって、夜空を見上げると見える星々の意味するところが変わってしまったのです。あの星もあの星も惑星をくっつけていて、そこには太陽系とはまったく様子の異なる世界が存在しているのです。

 マイヨール名誉教授とケロー教授の発見は宇宙を変えたのです。

追記(2019/10/16):文中、ウィルソン博士の肩書きを修正しました。御指摘いただいた伊東乾氏(東京大学)にお礼申し上げます。

[もっと知りたい!続けてお読みください →]  4番目に近い恒星、バーナード星にも惑星があった

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