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ビッグバン宇宙論でいう観測可能な宇宙(かんそくかのうなうちゅう、Observable universe)とは、中心にいる観測者が領域内の物体を十分に観測できるほど小さい、つまり、ビッグバン以後のどの時点でその物体から放出された信号であっても、それが光速で進んで、現在の観測者のもとに届くまでに十分な時間があるような球状の空間領域である。どの場所にもそこから観測可能な宇宙があり、それは地球を中心とするものと重なる部分も重ならない部分もある。

ここでいう「観測可能」という語は、現代の技術でこの領域内の物体から放射されたエネルギーが検出できるかどうかとは無関係である。単に、その物体からの光やその他の放射エネルギーが地球上の観測者のもとに到達することが原理上可能だというだけにすぎない。実際に観察できるのは、宇宙が晴れ上がった「最終散乱面」にある物体までである。晴れ上がる前の宇宙は、光子に対して不透明であった。しかしながら、重力波(やはり光速で移動している)の検出によって、それ以前の情報を推定することもできないわけではない。

◆ 実際の宇宙と観測可能な宇宙

宇宙論の研究論文では、一般人のものでも専門家のものでも、「宇宙」といえば「観測可能な宇宙」を指すことが多い。宇宙はわれわれと因果律的に断絶しており、直接的な実験法では宇宙のどの部分についても全く何も分からない、ということからも、そのことは裏付けられる。もちろん、宇宙のインフレーションなどの信頼できる多くの理論では、観測可能な宇宙よりもいっそう大きな宇宙が必要になる。観測可能な宇宙の境界面が、実際の宇宙の物理的な境界面とぴったり一致することを示唆する証拠はない(そのような境界面があるとしての話だが)。両境界面が一致するということはまずないと考えてよい。もし一致するなら、地球が実際の宇宙のちょうど中心にあることになり、宇宙原理に反する。確からしいのは、可視宇宙(≠観測可能な宇宙)内にある銀河が、実際の宇宙の全銀河のごくわずかしか表していないということである。

実際の宇宙が観測可能な宇宙よりも「小さい」ということも、もちろん可能である。その場合、非常に遠くにあるように見える銀河が、実は近くにある銀河の光が宇宙を一周してくることによって生じた複製像だということもあり得る。この仮説を実験によってテストするのは、銀河の異なる像がその一生の異なる時代を指すこともあり、結果として全く違うということにもなりかねないため、困難である。2004年のある論文Neil J. Cornish, David N. Spergel, Glenn D. Starkman, and Eiichiro Komatsu, Constraining the Topology of the Universe. Phys. Rev. Lett. 92, 201302 (2004). [外部リンク] astro-ph/0310233では、全宇宙の直径は、24ギガパーセク(780億光年)が下限であると主張されており、その場合、観測可能な宇宙より少しだけ小さいということになる。この値はWMAPの観測をマッチング・サークル分析したものに基づいている。

◆ 宇宙の大きさ

地球から「可視」宇宙(宇宙光の地平面)の端までの共動距離は、あらゆる方向に約14ギガパーセク(465億光年)である。これによって、観測可能な宇宙の共動半径の下限が明確になる。もっとも、導入部で述べたように、可視宇宙は観測可能な宇宙よりやや小さいと考えられる。これは、再結合(宇宙の晴れ上がり)以後に放射された宇宙背景放射からの光しか見えないためである。この宇宙背景放射によって、われわれには天体の「最終散乱面」が見えているということになる(重力波によって、あくまで理論上は、この球体の外部領域から、再結合期以前の事象が観察できる)。つまり、可視宇宙は直径約28ギガパーセク(約930億光年)の球体だということになる。宇宙空間はだいたいユークリッド平面であるから、この大きさはおよそ

\times

\pi

\times

\mathrm^3 =

4

\times 10^\text^3

すなわち3×10⁸⁰立方メートルの共動体積に相当する。

上に引用した数字は、(宇宙時間でいう)「今」の距離であり、「光が放射された時点における」距離ではない。例えば、今この瞬間にみえる宇宙マイクロ波背景放射 (CMBR) は、137億年前に起こったビッグバンから379,000年後の再結合の時に放射されたものである。この放射エネルギーは、その中間の時期に密集し、現在では銀河になっている物質から放出されたものである。これらの銀河は現在、われわれからおよそ460億光年の距離にあるとされている。光が放出された時点におけるその物質までの距離を推定するためには、「膨張の数学モデル」を選び、また、スケール因子a(t) をビッグバンからの任意の時刻t について計算しなければならない。観察に適したΛ-CDMモデルでは、WMAP衛星からのデータを用い、によって、およそ1292というスケール因子の変化が得られる。これが意味するのは、宇宙が、CMBR光子が放出されたときの大きさの1292倍に膨張しているということである。よって、現在観測できる最も遠くの物質(460億光年先)は、現在受け取っているマイクロ波が放出されたときには、いずれ地球となる物質からわずか3600「万」光年しか離れていなかったのである。

◇ 誤解

多くの二次資料が、これまでにさまざまな可視宇宙の大きさを「報告」している。いくつかを例示する。

; 137億光年

: 宇宙の年齢は約137億歳である。光より速く進むものはないということが広く知られている一方で、観測可能な宇宙の半径はゆえに137億光年しかないはずだという誤解も根強い。この論理は、宇宙が特殊相対論での平らな時空である場合に限って意味をなすものである。しかし実際の宇宙では、時空連続体は宇宙スケール上でかなり歪んでおり、三次元空間(だいたい平ら)はハッブルの法則で実証されたように、膨張しているわけである。つまり、光速と宇宙時間の積で得られる距離は、いかなる物理的意義をも持たないNed Wright, [外部リンク] "Why the Light Travel Time Distance should not be used in Press Releases".。

; 158億光年

: この数字も137億光年と同じように得られるが、こちらは有名な一般雑誌が2006年中ごろに、宇宙の年齢を誤って公表したことに端を発している[外部リンク] SPACE.com - Universe Might be Bigger and Older than Expected[外部リンク] Big bang pushed back two billion years - space - 04 August 2006 - New Scientist Space[外部リンク] 2 billion years added to age of universe。この主張の分析や、ベースとなっている論文はEdward L. Wright, [外部リンク] "An Older but Larger Universe?".を参照のこと。

; 270億光年

: これは半径137億光年という誤解にもとづく、直径である。

; 780億光年

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