未知の天文現象「ブラックホール」と「ビッグバン」
ブラックホールとビッグバンという宇宙においてもっとも極端で根源的な現象は、いまではその存在が明らかとなっていますが、それらが広く知られるきっかけとなったのは、1960年代に起こったある偶発的な発見でした。
いまから一世紀前の1915年、アインシュタインは一般相対性理論を発表しました。するとその公表直後、カール・シュヴァルツシルトという天文物理学者が、その特殊な解のひとつとして「ブラックホール」の存在をはじめて示唆します。さらに1927年には、同じく一般相対性理論から導き出したひとつの解釈として、ジュルジュ・ルメートルが「ビッグバン」という概念をはじめて発表しました。
アインシュタイン自身はブラックホールとビッグバンのどちらに対しても否定的で、その存在を認めようとはしませんでした。しかし1964年、米国のベル研究所における偶然ともいえる観測によってビッグバンの存在がはじめて具体的に示唆されます。また、1965年に打ち上げられた軍事衛星による偶発的なガンマ線の補足は、その後、ブラックホールの解明につながりました。
今回は、それらの発見の契機となった偶然ともいえるふたつの出来事をご紹介します。
偶然捕捉された宇宙からのマイクロ波
1964年、米ニュージャージー州にあるベル研究所に勤めていたアーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンは、新しく開発された天文観測用の高感度アンテナを設置しているとき、不可思議な電波ノイズに気づきます。あまりに強い電波だったため、ふたりはそれが地上から発せられた電波による干渉であり、おそらくニューヨークが発生源だろうと予想しました。しかし、調査してもその発生源は見つかりません。アンテナ自体を調べると、そこにはハトの糞がたくさん付着していました。これが電波干渉の原因だと考えてアンテナを掃除しますが、やはりノイズは消えません。
電波干渉の原因と成り得るすべての要素を排除したペンジアスとウィルソンは、宇宙から飛来しているとしか考えられないこの謎の電波を論文にまとめ、世界に公表します。結果、これが史上はじめて「宇宙マイクロ波背景放射」の検出を報告した論文となりました。
「宇宙マイクロ波」とは、電子レンジやスマートフォンにも使用される電波の一種であるマイクロ波が、宇宙から飛来することを意味します。「背景放射」とは、それが宇宙のあらゆる方向から降り注ぐことを意味します。
この発見に先立ち、理論物理学者ジョージ・ガモフは、「ビッグバンの発生時に放出された光が、現在においてはマイクロ波として観測できるはず」と予告していました。つまり、ペンジアスとウィルソンが世界ではじめて観測したのは「ビッグバンの残り火」だったのです。その観測論文が評価されたふたりは1978年、ノーベル物理学賞を受賞しています。
宇宙解明の鍵は「電磁波」の観測
では、なぜガモフは「ビッグバンの発生時に放出された光が、マイクロ波として観測できる」と、予測したのでしょう？ それを理解するには、まず「電磁波」を知る必要があります。
ざっくり説明しますと、電磁波とは「電界」と「磁界」が組み合ったものです。金属に電気を流すと磁石になるのと同じ原理であり、電磁波は空間を進むことができます。と言ってもまだピンとこないと思いますが、つまり電磁波とは、医療機器にも使用される「ガンマ線」や「X線」、皮膚などを痛める「紫外線」、ヒトが目視できる「可視光線」、暗視カメラなどに使用される「赤外線」、テレビやラジオなどの「電波」のことであり、これらはすべて同じ原理からなる電磁波の仲間です。
では、それら電磁波の何が違うのかというと「波長」の長さです。もっとも波長が短いのはガンマ線であり、長いのは電波です。また、波長が短い電磁波のほうがエネルギーが高く、ガンマ線は可視光線の100万倍のエネルギーを持っています。
地上の大型望遠鏡や天文観測衛星、宇宙望遠鏡などが搭載する観測機器の多くは、これら電磁波を検出するための装置です。
宇宙は膨張し続けている
ここでもうひとつ必要な情報は、「宇宙は膨張し続けている」という事実です。
冒頭でもご紹介したジュルジュ・ルメートルは、「宇宙は原子の爆発から始まった」という「ビッグバン理論」を、一般相対性理論をベースとした解として導き出し、1927年に発表しました。さらにその2年後、エドウィン・ハッブルが「銀河が地球から遠ざかっている」ことを望遠鏡観測によって確認し、「宇宙が膨張していること」を発見します。
宇宙が膨張しているからには、膨張のはじまりがあったはずです。つまり、ハッブルが発見した宇宙の膨張は、宇宙誕生の瞬間を説くビッグバン理論の正当性を示唆したのです。
ビッグバンによって放出された光は138億年かけて地球へ飛んできましたが、その光が移動する宇宙空間は、ハッブルが観測したように、膨張し続けています。そのため、光の波長も引き伸ばされます。その結果、波長が短い光は、波長の長いマイクロ波へと変異したのです。マイクロ波に変異したこうした光は、「ビッグバンの残り火」と呼ばれています。
ペンジアスとウィルソンがはじめてビッグバンの残り火を観測してから四半世紀後の1989年、NASAによってCOBE（コービー）という観測衛星が打ち上げられました。ベル研究所のアンテナよりもはるかに高精度な機器を搭載したこの人工衛星の観測データは、ビッグバンが本当に発生した証拠を示しました。そして、それを明らかにしたジョージ・スムートとジョン・マザーは2006年、やはりノーベル物理学賞を受賞しています。
軍事衛星が捉えた未知のガンマ線
さて、宇宙を解明する重大なヒントをもたらした、もうひとつの発見をご紹介します。
そのきっかけとなったのは、アメリカ国防総省が1967年に打ち上げた「ヴェラ4号」という軍事衛星です。この人工衛星の任務は、他国の核実験を軌道上から監視することであり、地球上のどこかで核爆発が起こると、そこから放射されるX線やガンマ線を感知します。
しかしある日、ヴェラが捕捉したデータに奇妙な影が映ります。ロスアラモス国立研究所の研究員が調査した結果、それは大気圏内からではなく、宇宙から飛来したガンマ線であることが判明しました。続いて打ち上げられた5号と6号も謎のガンマ線を複数捕捉し、その発生源の位置を割り出した結果、それは人類にとって未知の天文現象である「ガンマ線バースト」から発せられたものであることが突き止められました。
ガンマ線バーストとは、太陽よりも大きな質量を持つ恒星が爆発（超新星爆発）する際に、閃光のように放出される電磁波のことです。エネルギー量が極度に高く、太陽が100億年間に放出するエネルギーに匹敵すると言われています。もし、その爆発した恒星の質量が太陽の8倍以上であれば中性子星になり、25倍以上の場合には、その天体はブラックホールに姿を変えると考えられています。
史上初のブラックホール候補
宇宙から謎の高エネルギー電磁波が降り注いでいることがヴェラ衛星のデータによって判明すると、各国は天文観測衛星を本格的に打ち上げはじめます。その先陣を切ったのが、1970年12月にNASAが打ち上げた世界初のX線観測衛星「SAS-A ウフル」です。
ウフルは、軌道上から全天をスキャンすることにより、X線の発生源をマッピングし、その結果、強烈なX線を放射する発生源を宇宙空間に339個発見しました。その後、はくちょう座にある青色超巨星を重点的に観測しました。
この恒星は、ペアとなるもうひとつの恒星との共通の重心を周る「連星（双子星）」なのですが、その相手が見つかっていませんでした。太陽の30倍もの質量を持ちながら、操られるかのように奇妙な軌道を描くからには、その見えない相手はさらに大きな質量を持っていると予想されました。つまり、そのペアである天体は、ブラックホールである可能性が高いわけです。
ウフルは、その見えない相手（主星）がいると予想される領域から、X線が放射されていることを割り出します。結果、これが史上はじめて特定されたブラックホールの有力候補であり、それは後日、「はくちょう座X-1」と命名されました。
宇宙マイクロ波背景放射やガンマ線バーストなど、人類にとって未知であった電磁波を偶発的に捕捉してから半世紀が経過したいま、2019年にはブラックホールの撮影にも成功し、2021年はブラックホールのマップ作製も行われています。
また、宇宙マイクロ波背景放射の観測によって、宇宙に存在する全エネルギー量を計算することにも成功しています。その構成要素のうち、我々が認識できる物質はたったの5％未満であり、23％が暗黒物質、73％が暗黒エネルギーであることが判明しました。ただし、暗黒物質も暗黒エネルギーも、その正体はいまだ謎のままです。
宇宙には人類が解明できていない謎が数多く残されています。しかし、この半世紀で我々人類が知りえた知識とその驚異的な研究スピードを考えれば、その謎が解き明かされる日はそれほど遠くないに違いありません。
【宇宙開発のボラティリティ】は宇宙プロジェクトのニュース、次期スケジュール、歴史のほか、宇宙の基礎知識を解説するコラムです。50年代にはじまる米ソ宇宙開発競争から近年の成果まで、激動の宇宙プロジェクトのポイントをご紹介します。アーカイブはこちら