宇宙はどうして真っ暗なの？

仕組みの科学

宇宙が暗く見える理由は、二つの段階に分けて考えると分かりやすい。第一に、昼間の地上の空が明るいのは、太陽の光が大気中の空気の分子にぶつかって四方八方へ散らされ、空全体が光って見えるからだ。既存の問い『空はどうして青いの？』で扱ったのと同じ、光の散乱という現象である。ところが宇宙空間には、光を散らすもとになる空気がほとんど存在しない。そのため、自分で光を出す星や、光を反射する天体を直接見ている視線の先だけが明るく、それ以外の方向は光が目に届かず真っ黒に見える。第二に、では『星のある方向は無数にあるはずなのに、なぜ星と星のあいだは暗いままなのか』という問いが残る。これがこの問いのほんとうの核心であり、次の章で見る有名なパラドックスへとつながっていく。地上の明るさと宇宙の暗さは、光を散らす空気があるかないか、という一点で大きく分かれているのである。同じ太陽の光を受けていても、それを受けとめて広げる空気があるかどうかで、見える世界の明るさはこれほど変わってくるのだ。

歴史と発見

「宇宙に星が無限にあるなら、どの方向を見上げてもいつかはどこかの星に視線が届き、夜空は昼のように明るく輝くはずだ」。この一見あたりまえのようで深い矛盾は、十九世紀の天文学者オルバースの名をとって、オルバースのパラドックスと呼ばれる。日本天文学会がまとめる天文学辞典によれば、この問題は宇宙が無限に広く、星が一様に無限に分布し、宇宙が静止しているという仮定のもとで生じる。星の明るさは距離の二乗に反比例して暗くなるが、同じ距離にある星の数は距離の二乗に比例して増えるため、遠い層からの寄与も打ち消されず積み重なり、夜空は無限に明るくなってしまうという理屈だ。しかし現実の夜空は暗い。つまり、この三つの仮定のどれかが正しくないことになる。答えのカギは、宇宙が無限の昔から静かに存在してきたのではなく、あるとき始まり、今も変化し続けているという事実にあった。素朴な「夜はなぜ暗いのか」という問いが、宇宙の歴史そのものへと道を開いたのである。

もう一歩先

オルバースのパラドックスは、宇宙に始まりがあることと、宇宙が膨張していることの二つで説明される。まず、宇宙が生まれてから今までの時間には限りがある。光の速さも決まっているため、あまりに遠い星の光は、まだわたしたちのもとへ届いていない。つまり私たちが見られるのは、光が届く範囲——観測できる宇宙——という有限の広がりに限られ、夜空を埋めつくすほどの星を一度に見ることはできない。さらに国立天文台の解説によれば、宇宙は今も広がり続けており、遠くの銀河から出た光は届くあいだに空間の膨張で引き伸ばされ、波長が長くなって弱くなる。これを宇宙論的赤方偏移という。遠い天体ほど光は赤外線のほうへずれ、目に見える光としては届きにくくなる。こうして夜空の暗さは、宇宙にビッグバンという始まりがあり、今も膨張しているという、現在もっとも広く支持されている宇宙像を裏づける静かな手がかりになっている。断定を急がず、身近な「暗さ」から宇宙の成り立ちへと想像を広げてみたい。