望遠鏡はどれくらい遠くまで見ることができますか？最も遠いところはありません、たださらに遠いだけです...

「あなたの望遠鏡はどれくらい遠くまで見ることができますか？」

これは天文台で働いているときによく聞かれる質問ですが、返される答えは質問者にとって満足のいくものではないことがよくあります...

ピクサベイ

人類の空間と時間の概念の起源は、頭上の星空に由来し、さらに宇宙のあらゆる方向、上と下、古代と現代にまで及んでいるに違いありません。星空が示す連続性、周期性、導きは、人間の長期的な視線と思索を引き付けます。

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見渡す限り

晴れていて、月がなく、光害のない夜には、肉眼で見える最も暗い星は 6 等星 (見かけの等級) であり、見える最も遠い惑星、星、銀河は、天王星、イータ・カリーナ、アンドロメダ/さんかく座銀河です。

〇天王星

この淡い青緑色の惑星は、地球から平均 25 億キロメートル離れており、光の通過時間は 2 時間 40 分、見かけの等級は約 6 で、衝 (1 年に 1 回、4 ～ 5 日おきに発生) 時には最大輝度 5.5 に達することがあります。

ηカリーナ

これは南の空にある星で、人類がこれまでに発見した星の中で、いつ超新星爆発を起こしてもおかしくない星の一つです。地球から7,500光年離れており、現在の見かけの等級は4.3です。

○V762 Cas カシオペア

かつては肉眼で見える最も遠い星（約14,000光年離れていると推定）と考えられていたが、最新のGaia EDR3の結果によると、その距離はわずか約2,500光年である。

さらに、地球から約 10,000 光年離れたところに、肉眼で見える範囲の限界にある見かけの等級を持つ星もいくつかあります。どれが一番遠いかを議論するのはあまり意味がありません。それらのほとんどは、明るさが非常に不安定な変光星であり、見かけの等級に関するデータは十分に正確ではない可能性があります。

〇アンドロメダ銀河 M31/さんかく座銀河 M33

これらは地球からそれぞれ254万光年と300万光年離れており、見かけの等級はそれぞれ3.44と5.72である。それらは空で約 15 度離れており、どちらも天の川に向かっています。

もちろん、超新星やガンマ線バーストなどの一時的な天文現象もあり、人間の目に見える範囲が短期間で数十億光年まで広がることもあります。

02

「タイムマシン」と「ホライゾン」

距離を表すのに時間を使うことは古代から行われてきました。天文学において距離を表すために「光年」が使われるようになった歴史は、ほぼ 200 年にわたります。アインシュタインの相対性理論は、光の速度は一定であるという実験的事実に基づいており、時間と空間を密接に結び付けています。人間が星空を見上げるとき、彼らは実は過去へ旅しているのです。距離が遠いほど、時間が早くなり、古くなります。

望遠鏡の発明により人類の視野は広がりました。それは魔法の「タイムマシン」のように、宇宙の奥深くにある「地平線」を眺め、宇宙の過去を覗く機会を与えてくれます。おそらくこれが天文学がとても魅力的な理由の一つでしょう。エドウィン・ハッブルはこう考えました。「天文学の歴史は、遠ざかる地平線の歴史である。」

天文学の歴史は地平線の後退の歴史である。

——エドウィン・パウエル・ハッブル（1936）

「星雲の領域」

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最も遠いもの

冒頭の「どれくらい遠くまで見ることができますか？」という質問に戻りますが、実は明確な答えはありません。望遠鏡が完成すると、天文学者がはっきりとわかるのは、物体がどれだけ遠くにあるかではなく、どれだけかすかに見えるかということだ。

ハッブル望遠鏡を例に挙げてみましょう。どれくらい遠くまで見えるのかと聞かれたら？天文学者たちがリストのトップに立つ新たな天体を見つけようと競争しているため、答えは変わり続けています。ハッブルは常に自身の記録を更新し、絶えず変化する発見によって宇宙を遡る人類の能力の限界を広げてきました。

ハッブル宇宙望遠鏡（HST）は初期宇宙の研究に革命をもたらしました。 |画像提供: NASA/ESA

ハッブル宇宙望遠鏡の打ち上げ以前は、地上の光学望遠鏡では赤方偏移が1以下の天体しか観測できませんでした。これは、ビッグバンから現在までの宇宙の年齢の半分にほぼ相当します。ハッブルの最新の記録では赤方偏移は11.1に達しており、これは宇宙の年齢の約3%に相当する。その後継機であるジョイント・ウェッブ望遠鏡（JWST）は、より古く、より遠い宇宙を検出できるようになります。

それでは、「タイムマシン」に乗って、これまでに検出が確認された最も遠い物体を数えてみましょう。

これまでに確認された最も遠い天体 |画像出典: 注釈を参照

2021年10月にチャンドラX線望遠鏡によって2800万光年離れた渦巻銀河M51で発見された最初の太陽系外惑星候補M51-ULS-1bは、まださらなる確認が必要です。

2022年4月初旬、国際研究チームが、赤方偏移13.27の最遠方銀河の新たな候補となるHD1を発見した。これはGNz11よりも1億年若く、約12億光年遠い位置にある。しかし、赤方偏移値を確認するために使用された唯一のスペクトル線は 4σ という暫定的な結果に過ぎず、「スペクトル線によって確認された」とは言えないため、これについては依然として慎重に楽観的になる必要がある。

宇宙の進化の模式図。円は、最も遠くで確認された銀河と候補銀河である GN z11 と HD1 を示しています。 |画像出典: Harikane et al.、NASA、EST、P. Oesch/Yale

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膨張するのは空間であり、赤方偏移するのは光である

天文学者は、遠くの物体から放出された光子の波長が空間の膨張によってどれだけ引き伸ばされるか、いわゆる赤方偏移 z を測定することで、宇宙の奥深くを探り、その歴史を研究します。赤方偏移の値が大きいほど、時間と空間の距離が大きくなります。宇宙マイクロ波背景放射（CMB）に対応する赤方偏移は約1100であり、当時の宇宙は38万年にわたって進化していた。赤方偏移の正確な判定は、一連のスペクトル認証を通じて行われます。スペクトル認証には、プリズムを使用して虹を作成するのと同じように天体の電磁放射を分割し、特定の波長における既知の原子、イオン、または分子のスペクトル線のシフトを識別して、赤方偏移を正確に判定することが含まれます。

膨張宇宙における光の赤方偏移と空間距離の変化の模式図 |出典: ロブ・ノップ

しかし、より遠くの銀河からの光は非常に弱いため、直接スペクトルを測定することが不可能な場合もあります。天文学者たちは代わりに、赤方偏移の推定値を出すために巧妙な大まかな分光技術を考案しました。

その 1 つは「ライマンブレーク法」と呼ばれ、光学帯域から近赤外線帯域までさまざまなフィルターをカバーしてより広いスペクトル形状を取得し、その中で特徴的な鋭い「ステップ」を探すというものです。この「ライマンブレーク」は、宇宙の最初の 10 億年間に星や銀河から放射された 91.2 ナノメートル未満の波長を持つ強力な紫外線が、拡散した中性水素ガスによって完全に吸収されることによって引き起こされます。スペクトル上の「ブレーク」の位置は銀河までの距離によって決まり、それによって銀河の赤方偏移の推定値が得られます。

この方法は初期宇宙の銀河を一括して選別することができますが、その正体を確認するには、赤方偏移値を決定するためにさらに高度なスペクトル測定を使用する必要があります。それまでは、彼らは候補者としか呼べません。

エドウィン・ハッブルは、1936 年の著書「星雲の世界」の中で、初期宇宙の探査体験について次のように記述しています。「距離が増すにつれ、宇宙に関する知識は急速に尽きていきます。最終的に、私たちは薄暗い端、つまり望遠鏡の検出限界に到達します。そこでは、影を測定し、かすかな測定誤差の中で、ほとんど実質的な目印を探すことはありません。」今でも読む価値はある。

距離が離れるにつれて、私たちの知識は薄れ、急速に薄れていきます。最終的に、私たちは暗い境界、つまり望遠鏡の限界に到達します。そこで私たちは影を測り、測定の幽霊のような誤差の中から、ほとんど実質のない目印を探します。

——エドウィン・パウエル・ハッブル（1936）

「星雲の領域」

現在の宇宙を100歳の老人に例えると、ハッブル宇宙望遠鏡の限界に近い「タイムマシン」を通じて、その老人が3歳のときの断片を見ることになる。新しい「タイムマシン」JWST は宇宙で準備が整い、初期の宇宙を探索するための警鐘を鳴らそうとしています。絶えず新しい記録を更新し、宇宙の第一世代の発光体 (星、銀河など) を何千も発見し、宇宙の発祥の地までさかのぼります。

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手の届かないもの

「最も遠いところはない、たださらに遠いだけ...」は人類の宇宙探査のスローガンとして使われることがありますが、実際には、まだ最も遠いところは存在します。宇宙の存在時間（約138億年）と光の速度はともに有限であるため、「観測可能な宇宙」も有限であり、半径は約465億光年です。この半径が 138 億光年よりもはるかに大きい理由は、宇宙が絶えず膨張しているからです。

最後に、冒頭の質問に戻ります。実際、太陽系内であっても、「どこまで見ることができるのか？」という質問に答えるのはそれほど簡単ではありません。天文学者たちは宇宙の地平線を時間の起源へと絶えず押し進めていますが、太陽系の端の探査を止めたことはありません。次回作は「Farfarfarout」というタイトルになるのでしょうか？非創造的であるにもかかわらず、私たちの期待にはまったく影響しません。

小惑星ファーファアウトといくつかの太陽系天体との距離の比較（AU は約 1 億 5000 万キロメートル） |出典: R. Candanosa、S. Sheppard、B. Bays

ウェッブ氏の素晴らしい活躍に期待する一方で、人類の情報を携えて単独で前進するボイジャー1号も忘れてはならない。これまでで最も遠くまで飛行した有人宇宙船です。少なくとも1万年はかかるとわかっていても、太陽系を抜け出し、人類のために太陽系の端の向こうの光景を目撃しようと努力するだろう。

ボイジャー1号: 現在地球から232.7億キロメートル離れている |出典: NASA

輪番編集長：杜富君

編集者：王克超