なぜ何十億もの星が宇宙全体を照らすことができないのでしょうか?

この古くからの問題はオルバースのパラドックスと呼ばれています。画像クレジット: Graham Holtshausen on Unsplash

宇宙は星でいっぱいなのに、なぜ空はまだ暗いのでしょうか?この問題は人類を長い間悩ませており、「オルバースのパラドックス」という特別な名前も付けられています。

天文学者の推定によると、観測可能な宇宙には約 200 兆兆 (2×10^23) 個の星があり、その多くは太陽と同じかそれ以上の明るさです。では、なぜ宇宙はまばゆいばかりの星の光で満たされていないのでしょうか?

これは、宇宙の多くの星が地球から非常に遠くにあるためだと推測されるかもしれません。もちろん、星が地球から遠ければ遠いほど、暗く見えます。 10 倍遠い星は 100 倍暗く見えます。しかし、それが完全な答えではないことが判明しました。

泡を想像してみて

宇宙が非常に古いと仮定すると、最も遠い星からの光でさえ、地球に到達するのに十分な時間があったことになります。この仮説のシナリオでは、宇宙のすべての星は動いていないことになります。

地球を中心とした大きな泡を想像してください。この泡の直径が約 10 光年であれば、その中には 12 個の星が含まれることになります。もちろん、数光年の距離にあるこれらの星の多くは、地球から見ると非常に暗く見えるでしょう。

この泡の直径を 1,000 光年、100 万光年、10 億光年と拡大し続けると、泡内の最も遠い星はさらに暗く見えるようになります。しかし、この成長する泡の中には、輝く星がどんどん増え、最も遠い星はどんどん暗く見えても、星の数は増え、夜空全体が非常に明るく見えるはずです。

一周して出発点に戻ったように見えますが、実際には答えに近づいています。

年齢の問題

このバブルのシナリオでは、星は動かず、宇宙は非常に古いと仮定します。しかし、宇宙の年齢はわずか130億年ほどです。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が捉えた巨大銀河団WHL0137-08には、宇宙の最初の10億年間で知られている最も拡大された銀河であるサンライズ・アークと、その銀河でこれまでに検出された最も遠い恒星であるエアレンデルが含まれています。エレンディルの光が地球に届くまでに129億年かかりました。つまり、それは宇宙形成の最初の10億年以内に輝いていたことになります。画像クレジット: NASA、ESA、CSA、D. Coe (ESA の STScI/AURA、ジョンズ ホプキンス大学)、B. Welch (NASA ゴダード宇宙飛行センター、メリーランド大学カレッジ パーク校) 画像処理: Z. Levay

これは人間の観点から見ると非常に長い時間ですが、天文学の観点から見るとまだ非常に短く、130億光年以上離れた星からの光が実際には地球に届かないほど短い時間です。つまり、私たちが見ることができるすべての星を含む地球の周りの実際の泡は、地球から約 130 億光年までしか広がっていません。

視界全体を埋め尽くすほどの星が泡の中には存在しません。もちろん、空の特定の方向を見ると星が見え、空の他の部分を見ると星は見えません。それは、暗い場所では、視界内にあるように見える星が非常に遠くにあるため、その光がまだ地球に届いていないからです。時間が経つにつれて、ますます遠くなっていく星からの光が私たちに届くようになるでしょう。

ドップラーシフト

夜空は最終的に完全に明るくなるのだろうかと疑問に思うかもしれません。しかし、これは私たちが最初に仮定した別の事柄に戻ります。つまり、すべての星が動いているわけではないということです。しかし現実には、宇宙は常に膨張しており、最も遠い銀河はほぼ光速で地球から遠ざかっています。

銀河は非常に速く動くため、星からの光は人間の目には見えない色に変化します。この現象はドップラー効果として知られています。そのため、たとえその光があなたに届くのに十分な時間があったとしても、あなたの目には最も遠い星からの光が見えず、夜空は完全に照らされないでしょう。

ドップラーシフトは赤方偏移とも呼ばれ、観測者から遠く離れた物体から放射される光がスペクトルの赤側に偏ること、つまり波長が長くなり、周波数が低下することを指します。

長く待つと、星はやがて燃え尽きてしまいます。私たちの太陽のような星の寿命は約100億年しかありません。天文学者たちは、遠い将来、今から約100兆年後には宇宙は暗闇に包まれ、白色矮星やブラックホールなどの恒星の残骸だけが残るだろうと推測している。

NASA愛好家

夜空が完全に星で満たされているわけではありませんが、私たちは宇宙の生命の中で非常に特別な時期に生きており、光と闇が共存する美しく複雑な夜空を楽しむことができて幸運です。