第10章　銀河はどのように育ったのか

第110夜：水の玉を使った授業

百十日目は、ステーションの時計では土曜日でした。軌道の上の週末は、すっかり休みというわけではありません。止まることのない仕事もあるからです。それでも、仕事は軽くなります。午前中は、乗組員がいっしょにステーションを掃除しました。いろいろな面をふき、空気のフィルターを交換し、流れる空気に運ばれてきたほこりやパンくずや小さな落としものがたまる、通気口の格子に掃除機をかけました。アデは何週間も前にだれかがなくしたねじを見つけ、トマスはそれを今日の大発見だと宣言しました。

週末には、自分のための時間も少しあります。トマスはヘッドホンをつけて、ひとりで静かに音楽を流しながら一時間を過ごしました。アデは手すりの下に足を引っかけて、タブレットで本を読みました。三人とも、夕方には家族との個別の通話が予定されていました。宇宙ステーションは職場ですが、土曜日には、数時間のあいだ、少しだけ家に近いものになるのです。

午後、ヌールには楽しみにしていた仕事がありました。地上から、学校向けの短い授業を撮影してほしいと頼まれていたのです。子どもたちがステーションでの暮らしについて質問を送ってきていて、その中には水についての質問もありました。何も下へ引っぱらないとき、水はどうなるの？　注げるの？　はねるの？　落ちるの？

ヌールは静かな一角にカメラを置き、飲みもの用のパックから水を少ししぼり出しました。水は注がれませんでした。ぷるぷるゆれるかたまりになって出てきて、それからゆっくりと、ほとんど完全な玉の形にまとまり、彼女の目の前の空中に浮かびました。ストローでそっとさわると、玉は全体がふるえて、またまるくなりました。もう一つ、小さな水の玉を加えると、二つが触れあったとたんに、すぐに一つの大きな玉になりました。

彼女はカメラに向かって、水は自分自身を引っぱっているのだと説明しました。水の表面では、水はいつも内側へ向かって引っぱっていて、少しぴんと張った皮のようになっています。地球では、重力のほうがこの引く力より強いので、水は水たまりに広がったり、坂を流れ落ちたりします。ステーションの無重量状態では、水自身の引く力が勝ち、いちばん小さな表面でいちばん多くの水を包める形、つまり玉になるのです。最後に、彼女はタオルで水の玉を注意深くつかまえました。電気の機器の近くに漂う水は、本当に危険だからです。

その夜、彼女はサミに、撮影した映像の一部を短く送りました。サミは、七歳の娘がそれを三回も見て、宇宙飛行士になりたい、もしかしたら水の玉になりたいと言っている、と返事をくれました。それから彼は、授業を見てからずっと気になっていたことをたずねました。小さな水の玉が集まって大きな玉になるなら、銀河もそうやってできたの？　ヌールは考えてみました。ある意味ではそうだよ、と彼女は書きました。でも、銀河を集める力は、水の表面の引く力ではなくて、重力なの。そして、その一部は、だれにも見えない何かから来ているんだよ、と。

さざ波から網へ

前の夜に、私たちは最初の星々が暗闇の中で輝きはじめるのを見ました。それらは、若い宇宙が平均よりわずかに密度の高かった場所で、ガスのかたまりの中にできました。今夜の物語は、そのあとに起きたことです。最初の小さなかたまりがどのように大きくなり、つながりあって、私たち自身の銀河である天の川銀河もふくめ、今日の宇宙を満たしている銀河になったのか、という物語です。

物語は、いちばん古い光の中に見た、およそ10万分の1というごく小さなさざ波から始まります。重力が、その小さなちがいを大きなちがいに変えていきました。少し密度の高い場所は少し強く引っぱり、より多くの物質を集めて、さらに密度が高くなります。何億年、そして何十億年のあいだに、さざ波はかたまりに育ち、かたまりはもっと大きな構造へと育っていきました。

自然界のあらゆる力の中で、重力がこの仕事をなしとげることができたのには、理由があります。日々の暮らしの中では、重力はとても弱いものです。小さな磁石は、地球全体の引く力にさからって、クリップを持ち上げることができます。けれども重力には、一つ特別な性質があります。引くだけで押すことはなく、しかも足し合わさっていくのです。電気にはプラスとマイナスの二種類があり、大量の物質の中では、たいていおたがいに打ち消しあってしまいます。重力はけっして打ち消しあいません。宇宙のとてつもなく大きな距離と長い時間のなかで、重力はあらゆるものの形を決める力になるのです。

今日、銀河がどこにあるのかを天文学者が地図にすると、驚くべき模様が見えてきます。銀河は、テーブルにふりかけた砂糖のように、一様に散らばっているわけではありません。長い糸や、うすい壁のように並んでいて、そのあいだには、ほとんど何もない巨大な領域があるのです。糸が出会うところには、銀河がぎっしり集まった銀河群や銀河団があり、中には何百、何千もの銀河をふくむものもあります。天文学者は、この模様を宇宙の網と呼んでいます。

朝つゆにおおわれたクモの巣や、泡どうしが押しあったときのコーヒーの泡を見たことがあれば、それに似た見た目のものを見たことがあることになります。細いふちと、つなぎ目があり、そのあいだにひらけた空間があるのです。もちろん、宇宙の網はとてつもなく大きなものです。その中の一つの何もない領域だけで、差しわたし何億光年にもなることがあります。けれども、考え方は同じです。物質は線に沿って、そして出会うところに集まり、そのあいだの空間からは流れ去っていったのです。

宇宙のコンピューター模型は、いちばん古い光の中で測られたさざ波から出発し、何十億年にわたって重力のはたらきを前へたどっていきますが、そうした模型は、本物にとてもよく似た網をつくり出します。この一致は、宇宙の構造がどのように育ったのかについてのおおすじの物語を自分たちは理解している、と天文学者たちが考える理由の一つです。けれども、その模型がうまくいくのは、とても大切な材料を一つ入れたときだけです。それは、まだだれも直接見たことのないものです。

何かが足りないと気づいた人々

最初の手がかりは、1933年、フリッツ・ツビッキーという天文学者からもたらされました。彼は、かみのけ座と呼ばれる星座にある大きな銀河団を調べていました。そして、その銀河団の中の銀河がどれくらいの速さで動いているのかを測りました。銀河団の中の銀河は、みんなの重力を合わせた力でまとめられて、おたがいのまわりを動きまわっています。混みあった部屋の中を歩きまわっていても、けっして部屋から出ていかない人たちのようなものです。速く動くほど、それらをまとめておくには、より大きな重力が必要になります。

ツビッキーは、銀河があまりにも速く動いていることに気づきました。もし銀河団に、天文学者に見えている、輝く星という形の物質しかないのなら、それはずっと前にばらばらに飛び散っていたはずです。けれども、銀河団はそこにありました。何かが、大量の重力を余分に加えているにちがいありません。ツビッキーは「暗い物質」、つまり光らないけれど引っぱる物質について書きました。当時の多くの天文学者は、それに納得しませんでした。測定はむずかしいもので、何かが見落とされている可能性もあったのです。その考えは、しばらく待つことになりました。

何十年もあとの1970年代、天文学者のヴェラ・ルービンは、渦巻き銀河の中で星やガスがどのように動きまわっているのかを調べました。渦巻き銀河は、大きな車輪のようにゆっくりと回っています。それは私たちの太陽系のように回っているのだろう、と思われるかもしれません。太陽系では、太陽から遠い惑星ほど、太陽に近い惑星よりゆっくり動いています。遠くでは太陽の引く力が弱くなるからです。銀河の光のほとんどは明るい中心部から来ているので、天文学者たちは、外側の星もゆっくり動いているだろうと予想していました。

ルービンが見つけたのは、そうではありませんでした。どの銀河を調べても、はしのほうの遠くにある星やガスは、もっと内側にあるものと同じくらいの速さで動いていたのです。あまりにも速く動いているので、銀河の中に、目に見えるよりもはるかに多くの物質が、明るい星々のはるか外側まで広がっていなければ、飛ばされてしまっていたはずでした。ルービンは注意深く、根気強く、その測定には反論しにくいものがありました。ほかの人々の仕事と合わせて、彼女の測定は、ダークマターは本当に存在するのだと、ほとんどの天文学者を納得させました。それは、着実で注意深い仕事が、一つの分野全体の信じていることを変えるという、よい例でした。

それ以来、ほかの証拠も加わってきました。質量は、その近くを通る光の道すじを曲げます。天文学者たちは、手前にある銀河団によって光が曲げられ、ゆがめられた、背景の銀河を見ることができます。光がどれだけ曲げられたかによって、そこにどれだけの質量があるのかがわかり、それもやはり、目に見える物質よりもはるかに多いのです。いちばん古い光の中の模様も、大量のダークマターがあるとしなければ説明できません。今日、天文学者たちは、宇宙にはふつうの物質のおよそ五倍のダークマターがあると見積もっています。

わかっていること、わかっていないこと

では、ダークマターとは何なのでしょうか。正直な答えは、だれにもわからない、というものです。それが重力を持っていることはわかっています。その引く力が見えるからです。それが光らず、光をはね返さず、光をさえぎりもしないこともわかっています。もしそうでなければ、それが見えるはずだからです。私たちが気づくことのできたどんな形でも、ふつうの物質にぶつかってはいないらしいこともわかっています。それより先については、その正体は科学のもっとも大きな未解決の問いの一つなのです。

多くの科学者が考えているように、もしダークマターが粒子でできているとしたら、その粒子はおそらく、遠くのほかの銀河にだけあるのではありません。ここ天の川銀河の中で、私たちのまわりじゅうにあって、何にも触れずに、地球の中を、ステーションの中を、そして読んでいるあなたの部屋の中を、静かに通りぬけているのかもしれません。ダークマターが何なのかわからないので、これは確かではありません。けれども、不思議でおだやかな考えです。宇宙でいちばんありふれた種類の物質が、今この瞬間にもあなたの中を通りぬけているかもしれず、あなたはそれをけっして感じることがないのです。

ほぼ外されている可能性もいくつかあります。ダークマターは、冷たいガスや、ちりや、暗い星や、死んだ星や、ブラックホールのような、見えにくいだけのふつうの物質なのではないでしょうか。天文学者たちはそうしたものを探してきて、実際にいくらかは見つかっていますが、とても足りる量ではありません。もっと深い理由もあります。以前の夜に出会った最初の数分間が、宇宙にあるふつうの物質の総量を決めていて、いちばん古い光もその量を裏づけています。それは、余分な重力をすべて説明するには少なすぎるのです。ですから、ダークマターのほとんどは、星や惑星や人をつくっている原子とは、ちがうものでなければなりません。

多くの科学者は、ダークマターはまだ見つかっていない種類の粒子だと考えています。世界のあちこちで、科学者たちはとても感度のよい検出器をつくってきました。ほかの粒子からさえぎられるように、地下深くに置かれていることが多く、ダークマターの粒子がふつうの物質にぶつかるところをとらえようとしているのです。粒子加速器や空の中で、ダークマターの手がかりを探している人々もいます。これまでのところ、そうした探索のどれも、それを見つけていません。それは、ダークマターがそこにないという意味ではありません。人々が願っていたよりもつかまえにくいか、予想していたものとちがうという意味なのです。

ごく一部の科学者は、別の考えを試しています。もしかすると、余分な物質などまったくなく、そのかわりに、とても大きな距離では、重力が私たちの理論の言うのとはちがうふるまいをしているのかもしれない、という考えです。この考えは、銀河がどのように回っているのかを説明することでは、いくらか成功をおさめてきました。けれども、銀河団や、光の曲がり方や、いちばん古い光の模様を、すべていっしょに説明することには、とても苦労してきました。ダークマターなら、それらをまとめて説明できます。今のところ、ほとんどの天文学者は、ダークマターのほうがよい説明だと考えています。けれども、問題はまだ決着していません。証拠が決着をつけるまでは、まさにそうあるべきなのです。

それが何だとわかるにせよ、ダークマターは、銀河の成長に大切な役割を果たしました。若い宇宙では、ふつうの物質は光に押されてあちこちに動かされていて、いちばん古い光が解き放たれるまでは、なかなかかたまりに集まることができませんでした。ダークマターは、光をまったく感じません。そのため、もっと早くからかたまりに集まりはじめることができたのです。ふつうのガスがようやく自由になったとき、ガスは、すでに待ちかまえていたダークマターのかたまりの中へ落ちこんでいきました。この一歩先んじたスタートがなかったら、銀河ができるにはもっとずっと長い時間がかかり、今日の宇宙はまったくちがって見えていたかもしれません。

つながりあう銀河

最初の銀河は小さなものでした。前の夜に見たように、ウェッブ望遠鏡は、はじまりから数億年たったころの銀河を見ていますが、それらは天の川銀河よりもずっと小さいのです。私たちの銀河のような大きな銀河は、そのように小さなはじまりから、どのように育ったのでしょうか。一つには、宇宙の網から新しいガスを引きこむことによって、もう一つには、つながりあうことによってです。ヌールの水の玉のように、ただしずっとゆっくりと、そしてずっと荒々しく。

二つの銀河が近づくと、重力が二つをおたがいのほうへ引きよせます。二つの銀河はおたがいのまわりをめぐり、ときには何億年もかけて何度もめぐり、そこから星やガスの長い流れが引き出されます。最後には、一つの大きな銀河に落ち着くことがよくあります。天文学者たちは、このゆっくりとした出会いのさまざまな段階にある、たくさんの銀河の組を写真に撮ってきました。どの写真も、人の一生よりもはるかに長い時間をかけて再生されるフィルムの、一コマのようなものです。

私たち自身の銀河は、そうした何十億年もの成長の結果です。今日、天の川銀河は大きな渦巻き銀河で、差しわたしおよそ10万光年あり、何千億個もの星をふくんでいます。太陽はそのうちの一つです。ステーションから、暗いところを通るときに、ヌールは空を横切るその帯を見ることができました。彼女が見ていたのは、星でできた大きな平たい円盤を、その中のどこかから、真横に見た内側からのながめでした。

天の川銀河は、ある部分はこのようにして育ちました。私たちの銀河の中の星の動きを調べている天文学者たちは、ふつうではない動き方でいっしょに動いている星のグループを見つけています。そして、それらはずっと昔に天の川銀河が飲みこんだ、小さな銀河の名残だと考えています。私たちの銀河の中でもっとも古い星のいくつかは130億年以上前にできたものなので、天の川銀河は、宇宙の歴史のほとんど全体にわたって育ちつづけてきたことになります。今日でも、天の川銀河は、近くにあるいくつかの小さな銀河を、ゆっくりと引きこんでいます。

そして天の川銀河には、大きな出会いが待っています。以前の夜に、およそ250万光年離れたアンドロメダ銀河が、私たちのほうへ近づいている数少ない銀河の一つであることを見ました。およそ40億年から50億年後には、天の川銀河とアンドロメダ銀河はおたがいにとても近づくと考えられていて、長い時間をかけて、一つの大きな銀河に合体するかもしれません。二つの正確な道すじはまだ測られている最中なので、合体がいつ起きるのか、そもそも起きるのかどうかさえ、天文学者たちにはまだ確かなことはわかっていません。もし起きたとしたら、そのときまだ存在しているどんな惑星の夜空も、星の新しい流れや雲でいっぱいの、まったくちがったものになるでしょう。

これはおそろしいことのように聞こえるかもしれませんが、心配する必要はありません。理由は二つあります。一つめは、そこにかかる時間がとてつもなく長く、人類の歴史の何倍もの何倍もあることです。二つめは、銀河のほとんどは何もない空間だということです。星と星のあいだの距離は、星そのものの大きさとくらべてあまりにも大きいので、二つの銀河が合体するときも、星どうしがぶつかることはほとんどありません。星々はたがいに遠く離れたまま通り過ぎていき、そのあいだに二つの銀河のガスの雲が出会って、たくさんの新しい星を生み出すかもしれません。

サミへのメッセージ

眠る前に、ヌールは水の玉の短い映像をもう一度見て、それから完成した授業を地上へ送りました。教室でそれを見る子どもたちのことや、水の玉になりたいと言ったサミの娘のことを思いました。そして、宇宙の網の長い糸のことも思いました。クモの糸についたしずくのように、その糸に沿って銀河が集まっているのです。

彼女はサミにこう書きました。「娘さんに伝えて。銀河も、あの水の玉みたいにつながりあうんだよ。ただし、とてもゆっくりね。私たちの銀河は、小さな銀河をいくつも飲みこんできたの。それに、銀河をまとめているもののほとんどは、目に見えない何かで、まだだれもその正体を突きとめていないんだよ。もしかしたら、あの子がそれを見つける人になるかもしれないね」。サミは、娘はもう眠ってしまったけれど、朝になったら伝えるよ、と返事をくれました。そして、きっと「突きとめる」ってどういう意味、とたずねるだろうな、と書いていました。

一週間の終わりには、あなたにも、午前中は家事をして、午後は好きなことをするような、少し軽い一日があるかもしれません。そんな日に、コップに水を注いだり、窓についた雨がしずくに集まっていくのをながめたりしたら、宇宙の長くゆっくりとした集まりのことを思い出してもよいかもしれません。小さなものが集まって、大きなものになっていきます。それらをまとめているものの中には、かんたんに見えるものもあります。けれども、その中には、人と人とを結びつけている多くのよいもののように、まったく目に見えないものもあるのです。

よくある誤解

ダークマターは、ちりや暗い雲や死んだ星のような、暗すぎて見えないだけのふつうの物質だ、と思っている人はたくさんいます。天文学者たちは、そうしたものを注意深く探してきました。それらは存在しますが、とても足りる量ではありません。宇宙の最初の数分間も、いちばん古い光も、どちらも、ふつうの物質の総量は余分な重力を説明するにはあまりにも少ないことを示しています。ですから、ダークマターのほとんどは何か別のもので、おそらくは原子でできているのではまったくないものなのです。

また、科学者はダークマターが何なのかを知っていて、ただそれに謎めいた名前をつけているだけだ、と思いこんでいる人もたくさんいます。科学者たちは知りません。それがどれだけあるのか、だいたいどこにあるのか、どのように引っぱるのかは知っています。けれども、長年にわたって注意深く探してきたにもかかわらず、それが何でできているのかは見つかっていません。その名前の中の「ダーク」ということばは、正直な告白なのです。その影響は見えるけれども、それ自体は見えず、まだ理解できていない、という意味なのです。

最後に、二つの銀河が衝突するときには、その星どうしが大爆発を起こしながらぶつかりあう、と想像している人もたくさんいます。実際には、銀河全体が合体するときでさえ、星どうしがぶつかることはほとんどありません。星と星のあいだの空間が、とても広いからです。もし太陽が砂粒一つの大きさだとしたら、いちばん近いほかの星は、十キロメートル以上離れたところにある、もう一つの砂粒になります。本当の出会いは、ガスの雲どうしのあいだで起こります。ガスの雲は押し縮められて新しい星をつくることがあり、その新しい星が、今度は新しい元素をつくるのです。次の夜には、星の内部をのぞいて、星が私たち自身の体の元素をどのようにつくったのかを見ていきます。