宇宙最古の光が示す謎：宇宙マイクロ波背景放射が語るダークマター・ダークエネルギーの証拠
宇宙最古の光、その意味するもの
私たちが夜空を見上げる時、遠い銀河や星からの光を目にしますが、それらは宇宙の比較的「最近」の姿を映しています。では、宇宙が生まれたばかりの頃、まだ恒星も銀河も存在しない太古の姿を見ることはできるのでしょうか？
その問いに答える鍵となるのが、「宇宙マイクロ波背景放射（CMB）」と呼ばれる光です。これは、今から約138億年前、宇宙が誕生してからおよそ38万年後の非常に若い時代の光が、今も宇宙空間を満たしているものです。例えるなら、宇宙がまだ「赤ちゃん」だった頃の写真のようなものです。
このCMBは、宇宙論において非常に重要な情報源であり、現代宇宙論の基礎を築く上で欠かせない観測事実となりました。そして、この宇宙最古の光を詳しく調べることで、私たちは宇宙の大部分を占めると考えられている、見えない二つの謎「ダークマター」と「ダークエネルギー」の存在を示す確かな証拠を得ているのです。
宇宙の晴れ上がりとCMB
宇宙が誕生した直後は、非常に高温で密度の高い火の玉のような状態でした。陽子や電子、光（光子）などがごちゃ混ぜになって飛び交っており、光子は電子にすぐに散乱されてしまうため、まっすぐ進むことができませんでした。いわば「晴れていない」、光にとって不透明な宇宙でした。
しかし、宇宙が膨張して温度が下がると、陽子と電子が結びついて電気的に中性な水素原子やヘリウム原子が作られるようになりました。これにより、光子は電子に邪魔されることなく自由にまっすぐ進めるようになりました。この劇的な変化を「宇宙の晴れ上がり」と呼び、この時に放たれた光こそが、CMBとして今私たちのもとに届いているのです。
この光は、宇宙空間を旅する間に宇宙膨張の影響を受けて波長が引き伸ばされ、マイクロ波として観測されます。そして、その温度は宇宙のどの方向を見てもほぼ一様に約2.7ケルビン（絶対零度よりわずかに高い温度）であることが分かっています。これは、宇宙の初期が非常に均一な状態であったことを示しています。
CMBの「ムラ」が語る情報
CMBの温度がほぼ一様であることは、初期宇宙の均一性を示唆しますが、もし宇宙が完全に一様だったとしたら、現在のような星や銀河、さらには銀河団といった複雑な構造は決して生まれなかったはずです。なぜなら、構造を作るためには、物質のわずかな密度の濃淡が必要だからです。重力が密度の濃い部分に物質を引き寄せ、構造の種となるのです。
精密な観測によって、CMBには温度のわずかな「ムラ」（専門的には「異方性」と呼ばれます）が存在することが明らかになりました。その温度差は、平均温度の10万分の数度という、非常に小さいものです。この小さなムラこそが、初期宇宙における物質密度のわずかな違いを映し出しており、現在の宇宙の大規模構造の「種」となったと考えられています。
そして、このCMBの温度ムラのパターンを詳しく分析することで、宇宙の初期状態だけでなく、宇宙を満たす物質やエネルギーの成分に関する驚くべき情報を引き出すことができるのです。
CMBが示すダークマターの証拠
CMBの温度ムラのパターン、特にその強さが空間的なスケール（角度）に対してどのように変化するかをグラフにしたものを「パワースペクトル」と呼びます。このパワースペクトルには、特定の角度でピーク（山）や谷が現れる特徴的な構造が見られます。これは、初期宇宙に存在した音波のような振動の痕跡だと考えられています。
このパワースペクトルを理論的に計算する際に、通常の物質（原子を構成する陽子や中性子など）だけを仮定すると、観測されたCMBのパターンをうまく説明できません。具体的には、パワースペクトルのピークの高さや位置が、通常の物質だけでは観測と一致しないのです。
ここで「ダークマター」の存在を仮定すると、状況は大きく変わります。ダークマターは光とほとんど相互作用しないため、通常の物質のように光子の圧力によって振動が妨げられることがありません。そのため、重力による構造形成の「種」として、通常の物質よりも早く働き始めることができたと考えられます。
CMBのパワースペクトルの解析から、宇宙の全物質のうち、通常の物質は約5%に過ぎず、残りの約27%がダークマターであるという結論が得られています。ダークマターが存在し、その量がこの割合であると仮定することで、CMBのパワースペクトルは観測結果と非常に良く一致するのです。これは、ダークマターが単なる仮説ではなく、CMBという独立した観測から強く示唆されている存在であることを意味します。
CMBが示すダークエネルギーの証拠
CMBのパワースペクトルからは、宇宙の「幾何学的な形」、つまり宇宙全体が平坦なのか、曲がっているのかに関する情報も得られます。パワースペクトルの最初の大きなピークが現れる角度を調べることで、宇宙の曲率を知ることができるのです。
観測されたCMBのパワースペクトルは、宇宙がほぼ完全に「平坦」であるという結果を示しています。これは、ユークリッド幾何学（三角形の内角の和が180度になるような、私たちが慣れ親しんだ空間）が宇宙全体で成り立つことを意味します。
一般相対性理論によれば、宇宙の幾何学は宇宙を満たす物質とエネルギーの総量によって決まります。宇宙が平坦であるためには、宇宙の全エネルギー密度がある特定の「臨界密度」と等しくなければなりません。
しかし、CMB観測から得られた通常の物質とダークマターの合計密度（約32%）だけでは、この臨界密度には達しません。残りの約68%のエネルギー密度が「足りない」のです。この足りないエネルギーこそが「ダークエネルギー」であると考えられています。
ダークエネルギーは、宇宙の加速膨張を引き起こしている謎の力と考えられていますが、CMBの観測は、加速膨張とは独立に、宇宙が平坦であるという事実からその存在と量を強く支持しているのです。宇宙が平坦であるというCMBの証拠と、遠方の超新星観測が示す加速膨張の証拠は、現在の宇宙論モデルにおいて、ダークエネルギーが宇宙の約68%を占める主要な成分であることを示しています。
最新観測が深める理解
宇宙マイクロ波背景放射は、人工衛星による観測によってその姿を詳細に捉えられてきました。特に、欧州宇宙機関(ESA)のプランク衛星による観測は、これまでで最も高精度なCMBの全天マップを提供し、標準宇宙モデル（ΛCDMモデル、つまり宇宙がダークエネルギー、コールドダークマター、通常の物質から構成されているとするモデル）の基本的な枠組みを強力に支持しました。
プランク衛星のデータは、ダークマターとダークエネルギーの存在量だけでなく、初期宇宙の物理状態や、宇宙の年齢、ハッブル定数（宇宙の膨張率を示す値）といった様々な宇宙論パラメータを非常に高い精度で決定することを可能にしました。
しかし、高精度な観測は同時に新たな課題も提示しています。例えば、CMB観測から計算されるハッブル定数の値と、近傍宇宙の観測から直接測定されるハッブル定数の値には、小さなズレ（「ハッブルテンション」と呼ばれます）が存在します。これは、私たちの標準宇宙モデルがまだ完全ではない可能性を示唆しており、ダークエネルギーの性質や、それ以外の未知の物理が存在する可能性を探るきっかけとなっています。
まとめ：宇宙最古の光が語り続ける謎
宇宙マイクロ波背景放射は、私たちの宇宙観を大きく変えた、宇宙最古からの貴重なメッセージです。そのわずかな温度のムラを読み解くことで、私たちは宇宙の約32%を占める見えない物質「ダークマター」と、約68%を占める宇宙を加速膨張させる謎のエネルギー「ダークエネルギー」の存在を強く示唆する証拠を得ています。
CMBは、私たちが住む宇宙がどのような成分でできているのか、そしてどのように進化してきたのかを知るための強力な「物差し」であり続けています。プランク衛星のような最新の観測は、標準宇宙モデルの正しさを確認する一方で、未解決の謎も浮き彫りにしています。
宇宙最古の光は、ダークマターやダークエネルギーといった深淵な謎への探求が、まだ始まったばかりであることを静かに語りかけているのです。今後の観測や理論研究によって、CMBが隠し持つ更なる秘密が明らかになることが期待されます。