宇宙の年齢はどのように測定されるのでしょうか?

画像の説明: ビッグバン以降の宇宙の膨張の視覚化。画像出典:astronoo.com

宇宙の年齢: 138億年

宇宙の年齢の主張は、いわゆる「」の推定を可能にするいくつかの観察と物理理論に基づいています。宇宙時代この推定は主に物理法則、宇宙の膨張の性質、宇宙背景放射の理解から得られています。この年齢はどのようにして決まるのでしょうか?

ビッグバン理論

宇宙の年齢の背後にある基本的な考え方は、ビッグバンの宇宙モデルこれは、宇宙が約138億年前に非常に高密度で高温の状態で始まったことを示唆しています。それ以来の宇宙の進化、特にその膨張は、アインシュタインの一般相対性理論の方程式によって記述されます。

$$ R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu}R + g_{\mu\nu}\Lambda = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} $$

方程式の左辺は、時空幾何学の影響を受けています。物質とエネルギーの分布方程式の右側で表される宇宙の中で。この方程式に対するすべての解は、可能な時空幾何学形状 (宇宙) です。私たちの宇宙に相当する時空は存在するのでしょうか？

一般相対性理論の方程式は複雑な非線形偏微分方程式であり、非常に特殊な場合には解くことは可能ですが、物質とエネルギーの考えられるすべての配置に対する正確な一般解は存在しません。

観測可能な宇宙の正しい幾何学形状は何ですか?

私たちは観測に従って近似解を選択する必要があります。つまり、測定の精度に応じて、宇宙の記述に対応する優れた数学的モデルを選択する必要があります。

宇宙の膨張

宇宙の膨張に関する最初の確かな証拠の 1 つは、遠方の銀河の赤方偏移の観察から得られました。これは、これらの銀河が距離に比例した速度で私たちから遠ざかっていることを意味し、1929 年に発表されたハッブル・ルメートルの法則によって説明される現象です。銀河の距離とその逃げる速度の関係により、これらの銀河が一点に集中し、宇宙の始まりを示した時代に戻ることができます。この膨張 (計算に使用される平均である 1 メガパーセクあたり 1 秒あたり 70 キロメートル) を測定することで、宇宙学者はビッグバンからの経過時間を計算できます。

宇宙背景放射線 (CMB)

CMB (化石放射線) は、電子と陽子が結合して水素原子を形成できるほど宇宙が冷えたビッグバンから約 38 万年後に放出された電磁放射線の一種です。この放射線は宇宙のあらゆる場所で観察され、初期の宇宙の状態に関する情報が含まれています。 CMB の正確な測定、特に WMAP やプランクなどの衛星によって得られる測定は、初期宇宙の構造に関する手がかりを提供し、物質やエネルギーの密度、ひいては宇宙の年齢などの宇宙論的パラメータを制約することを可能にします。

標準宇宙論モデル (ΛCDM)

ΛCDM (ラムダ コールド ダーク マター) モデルと呼ばれる現在の宇宙論モデルは、物質、暗黒エネルギー、一般相対性理論に基づいて宇宙の進化を記述しています。銀河の赤方偏移、宇宙内の物質の分布、CMB などの観測結果を使用して、宇宙学者は宇宙の年齢を「高精度」で計算できます。これらの計算は、一般相対性理論の方程式から導出され、大規模な宇宙の進化を記述するフリードマン方程式の解に基づいています。

恒星の進化の間接的な方法とモデル

別のアプローチは、恒星体と星団の進化を研究することです。球状星団のような最古の星は、宇宙の年齢にさらなる制約を与えます。科学者は、これらの星の化学組成を研究し、進化をモデル化することによって、これらの星の年齢を推定できます。これらの年齢推定値は、CMB と宇宙の膨張に基づくものほど正確ではありませんが、宇宙の年齢の下限を示します。

結論

私たちの宇宙の時空は、一般相対性理論の方程式の動的解です。それは静的な解決策ではなく、物質の密度とエネルギーの進化に応じて時空の特性が時間とともに変化する膨張する解決策です。 言い換えれば、私たちの時空（私たちが観察しているもの）は、一般相対性理論に従って、宇宙における物質とエネルギーの分布から生じる進化的な解決策です。