宇宙の年齢はどのように測定されるのか？

宇宙の年齢：138億年

宇宙論からの推定

宇宙の年齢の主張は、いわゆる「宇宙論的年齢」を推定することを可能にする複数の観測と物理理論に基づいている。この推定は主に、物理学の法則の理解、宇宙の膨張の性質、そして宇宙マイクロ波背景放射から得られる。この年齢はどのように決定されるのか？

ビッグバン理論

ビッグバンモデル

宇宙の年齢の背後にある基本的な考え方は、ビッグバン宇宙論モデルに基づいており、これは宇宙が約138億年前に極めて高密度で高温の状態で始まったことを示唆している。その瞬間からの宇宙の進化、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る。

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

方程式の左辺は時空の幾何学に関連しており、これは方程式の右辺で表される宇宙の物質とエネルギーの分布によって影響を受ける。この方程式のすべての解は可能な時空の幾何学（宇宙）である。私たちの宇宙に対応する時空は存在するのか？

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、特定の非常に特殊なケースでは解くことが可能であるが、物質とエネルギーのすべての可能な配置に対する厳密な一般解は存在しない。

観測可能な宇宙の正しい幾何学は何か？

観測と互換性のあるモデルを選ぶ

観測に合致する近似解を選ぶ必要がある。つまり、私たちの測定の正確さに応じて、宇宙の記述に対応する優れた数学的モデルを選ぶのである。

宇宙の膨張

ハッブル＝ルメートルの法則

宇宙の膨張の最初の確固たる証拠の一つは、遠方の銀河の赤方偏移の観測から得られる。これは、これらの銀河がその距離に比例する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記述される現象である。銀河の距離とその後退速度の関係により、これらの銀河が一点に集中していた時代に遡ることができ、宇宙の始まりを示す。この膨張を測定することにより（計算で使用される平均値である70キロメートル毎秒毎メガパーセク）、宇宙学者はビッグバン以来経過した時間を計算できる。

宇宙マイクロ波背景放射（CMB）

化石放射

CMB、すなわち化石放射は、ビッグバンの約38万年後に放出された電磁放射の一形態であり、宇宙が十分に冷却されて電子と陽子が結合して水素原子を形成できるようになったときのものである。宇宙全体で観測されるこの放射は、それらの初期時代の宇宙の状態に関する情報を含んでいる。CMBの精密測定、特にWMAPやプランクなどの衛星によって得られたものは、原始宇宙の構造に関する手がかりを提供し、物質とエネルギーの密度などの宇宙論的パラメータ、ひいては宇宙の年齢を制約することを可能にする。

標準宇宙論モデル（ΛCDM）

ΛCDMモデル

現在の宇宙論モデルはΛCDMモデル（Lambda Cold Dark Matter）と呼ばれ、物質、暗黒エネルギー、一般相対性理論に応じた宇宙の進化を記述する。銀河の赤方偏移、宇宙の物質分布、CMBなどの観測を用いて、宇宙学者は「高い精度」で宇宙の年齢を計算できる。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る。

間接的方法と恒星進化モデル

制約としての古い星

別のアプローチは、恒星天体と星団の進化を研究することである。球状星団の星などの最も古い星は、宇宙の年齢に対する追加の制約を提供する。科学者は、これらの星の化学組成を研究し、その恒星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る。これらの年齢推定は、CMBと宇宙の膨張に基づくものよりも精度は劣るが、宇宙の年齢の下限を提供する。

結論

動的な時空

私たちの宇宙の時空は、一般相対性理論の方程式の動的な解である。それは静的的な解ではなく、膨張する解であり、時空の性質は物質とエネルギーの密度の進化に応じて時間とともに変化する。 言い換えれば、私たちの時空（私たちが観測するもの）は、一般相対性理論に従って、宇宙の物質とエネルギーの分布から生じる進化的な解である。