第4章　銀河はたがいに遠ざかっている

第31夜：貨物船をつかまえる

滞在三十一日目、ヌールはロボットアームで宇宙船をつかまえました。その貨物船は二日前に打ち上げられ、地上のチームの注意深い見守りのもとで、小さなエンジンを何度も噴射しながら、ステーションまでの距離をゆっくりとつめてきていました。午後には、窓から見えるところまで近づいていました。幅の広い太陽電池パネルをつけた白い円筒で、ステーションとほとんどまったく同じ速さで動いていたので、明るい地球の上の黒い空に、じっと浮かんでいるように見えました。

ヌールは、ロボット操作用の作業台に座りました。画面がいくつかと、左右の手に一つずつ、二つの操作レバーがついた小さな机です。隣にはトマスが座り、点検リストを声に出して読み上げました。貨物船は十メートルほど離れたところで止まり、待機しました。地上では、チームがすべての準備が整ったことを確かめました。それからヌールは、長いアームをとてもゆっくりと前へ動かしました。片方の手で向きを、もう片方の手でアームの先の回転を操作します。画面には、アームの先端にあるカメラの映像が映り、貨物船の小さな取っ手がだんだん大きくなっていくのが見えました。

この仕事には、落ち着いた手と、乱れない呼吸が必要でした。ステーションも貨物船も、時速およそ2万8000キロメートルで地球のまわりを進んでいましたが、たがいに対しては、ほとんど止まっていました。高速道路を並んで走る二台の車のようなものです。取っ手が画面の真ん中に来たとき、ヌールは引き金を引きました。アームの先が、やわらかく、しっかりと取っ手をつかみました。「捕獲」と彼女は言いました。地上で、だれかが拍手を始めました。

その日の残りは、貨物船をステーションにつなぎ、ハッチを安全に開けられるかどうかを確かめる作業に費やされました。ようやくハッチが開いたとき、ヌールが最初に気づいたのはにおいでした。新しいプラスチックと、梱包材のにおい、そしてかすかに、りんごのにおいがしました。装置や予備の部品、衣類、食料の袋のどこかに、地上のチームが新鮮な果物の小箱を詰めてくれていたのです。その夜、乗組員たちは大きな窓のそばでりんごを分けあって食べました。果汁が一滴も逃げ出さないように、注意深く持ちながら。

その日、窓から貨物船を見ていたとき、ヌールは、遠くにあるものがこちらへ近づいているのか、遠ざかっているのかを見分けるのは、どれほどむずかしいことだろうと考えていました。近くなら、ロボットアームのカメラのおかげでかんたんです。けれども、何百万光年も離れていて、写真では止まったしみのようにしか見えない銀河が、どう動いているのかを、どうやって知ることができるのでしょうか。それが今夜の物語で、その物語は虹から始まりました。

光には指紋がある

太陽の光がガラスのプリズムや雨のしずくを通ると、赤、だいだい、黄、緑、青、紫という色の帯に広がります。その帯は、スペクトルと呼ばれます。その中の一つひとつの色は、波長がほんの少しずつちがう光です。つまり、波と波の間隔が、ほんの少しずつちがうのです。赤い光は波が長く、青や紫の光は波が短くなっています。スペクトルとは、光をその波の長さによって並べたものにすぎません。たくさんの手紙を大きさの順に並べるようなものです。

1800年代に、科学者たちは、よい装置を使って光を丁寧に広げると、スペクトルがなめらかではないことに気づきました。バーコードのすき間のような、細い暗い線が何本も横切っていたのです。科学者たちはまもなく、その線が何を意味するのかを知りました。水素やナトリウムや鉄といった、それぞれの種類の原子は、決まった正確な波長でだけ光を吸いこんだり出したりします。光がガスの中を通るとき、そのガスの中の原子が自分に特有の波長を取りのぞくので、ちょうどその場所に暗い線が残るのです。

こうした指紋のかんたんな例を、知らずに見たことがあるかもしれません。少し古い街灯の中には、深いオレンジがかった黄色の光で輝くものがあります。そうした街灯にはナトリウムをふくむガスが入っていて、ナトリウムの原子は、光らせると、おもに一つの決まった黄色の波長の光を出します。そのような街灯の光をよいプリズムで見ると、虹はほとんど見えず、明るい黄色の線が一本見えるだけでしょう。どの種類の原子にも、このような自分だけの線の組みあわせがあり、それはサインのように個人的なものです。熱いガスでは明るい線として、明るい光源の手前にある冷たいガスでは、同じ場所に暗い線としてあらわれます。

これはすばらしい発見でした。光が指紋を運んでいる、ということを意味していたからです。星の光の中の線の並び方を見れば、天文学者たちは、そこへ行かなくても、その星にどんな種類の原子があるのかを知ることができました。水素の並び方はいつも同じです。光が実験室のランプから来ても、銀河のはるか向こうの星から来ても変わりません。天文学者たちは、友だちの筆跡を見分けるのと同じくらいかんたんに、こうした並び方を見分けられるようになりました。

けれども、天文学者たちはまもなく、別のことにも気づきました。ある星や星雲の光では、おなじみの線の並び方はすべてそろっているのに、どれも少しだけ正しい場所からずれていたのです。並び方全体が、スペクトルの赤い端のほうか青い端のほうへ、少しずれていました。指紋は同じなのに、色の帯に沿ってすべっていたのです。その小さなずれが、とてつもなく大きなメッセージを運んでいることがわかってきました。

通り過ぎるサイレン

このずれによく似たものを、光ではなく音で、何度も聞いたことがあるはずです。サイレンを鳴らした救急車が、道で横を通り過ぎていくところを思い浮かべてみてください。近づいてくるとき、サイレンは高く聞こえます。通り過ぎて遠ざかっていくと、音は急に低くなります。サイレンそのものは変わっていません。運転している人が何かのスイッチにさわったわけでもありません。変わっているのは、耳に届くときの音の波の間隔なのです。

救急車が近づいてくるとき、新しい音の波は、一つ前の波よりも少しだけ近いところから出発するので、波はつまって届きます。つまった波は高く聞こえます。救急車が遠ざかっていくとき、新しい波は少しだけ遠いところから出発するので、波は引き伸ばされて届きます。引き伸ばされた波は低く聞こえます。救急車が速く動くほど、その変化は大きくなります。よく訓練された耳や、よい装置があれば、音の高さの変化だけから、救急車がどれくらいの速さで走っていたのかさえわかるでしょう。

光も、似たようなふるまいをします。光を出すものが私たちのほうへ近づいてくると、その波は少しつまって届くので、光はスペクトルの青い端のほうへ少しずれます。光を出すものが私たちから遠ざかっていくと、その波は引き伸ばされて届くので、光は赤い端のほうへずれます。赤のほうへのずれは、赤方偏移と呼ばれます。赤方偏移が大きいほど、そのものは速く遠ざかっています。スペクトルの暗い線のおかげで、これを精密に測ることができます。天文学者は、光を出すものが動いていないときにそれぞれの線がどこにあるはずかを、正確に知っているからです。

銀河の場合は、まもなく見ていくように、光が引き伸ばされるおもな理由は、空間そのものが引き伸ばされていることにあります。銀河が救急車のように空間の中を突っ走っていることだけが理由ではないのです。けれども、サイレンははじめの一歩としてよいたとえです。大切な点は単純です。指紋がどれだけすべったかを見れば、天文学者は、遠くの銀河が私たちのほうへ近づいているのか遠ざかっているのか、そしてだいたいどれくらいの速さなのかを知ることができるのです。

こうしたずれは、たいていごくわずかです。私たちの銀河の中の星は、太陽に対して秒速数十キロメートルの速さで動いていますが、その線はスペクトルに沿ってほんの少ししか動かないので、それを測るにはよい装置と細心の注意が必要です。天文学者は同じ方法を使って、ほかの星のまわりを回る惑星も見つけています。惑星の引く力が星に与える、小さな行ったり来たりの動きを測るのです。遠くの銀河では、スライファーがまもなく見つけるように、ずれはずっと大きくなることがあります。

気づいた人々

渦巻き星雲の動きをはじめて測ったのは、ヴェスト・スライファーでした。彼は1912年に、よい望遠鏡のある天文台で、とても根気強くこの仕事を始めました。渦巻き星雲の光はかすかで、それをスペクトルに広げると、さらにかすかになります。スライファーは、使えるスペクトルを一つ得るために、一枚の写真乾板を何夜にもわたって光に当てつづけ、かすかな光を少しずつためていかなければならないこともありました。

彼の最初の測定は、アンドロメダ星雲についてのもので、青方偏移を示していました。アンドロメダは、私たちのほうへ近づいているのです。けれども、1910年代のあいだにもっと多くの渦巻き星雲を測っていくと、そのほとんどが赤方偏移を示していることがわかりました。中には、秒速数百キロメートルで遠ざかっているものもありました。これはとても奇妙なことでした。もし渦巻き星雲が私たちの銀河の中にある小さな雲だとしたら、なぜそのほとんどが急いで遠ざかっているのでしょうか。当時はまだ、それらが別の銀河だということをだれも知らず、よい説明を持っている人はいませんでした。

いっぽうで、それを説明するのに必要な理論は、すでに待ちかまえていました。1915年、アルベルト・アインシュタインは一般相対性理論を発表していました。空間と時間が曲がったり伸びたりできるという、重力の新しい描き方です。1917年、彼はそれを宇宙全体にあてはめました。当時のほとんどすべての人と同じように、アインシュタインも、宇宙は大きくも小さくもならず、静止していると信じていました。彼の方程式からは、そのままでは静止した宇宙は出てこなかったので、宇宙を静止させておくために、方程式に余分な項を一つ書き加えました。

同じ方程式を見て、ちがうものに気づいた人々もいました。1922年、数学者で物理学者でもあったアレクサンドル・フリードマンは、その方程式が、時間とともに大きくなったり小さくなったりする宇宙を許すことを示しました。1927年には、物理を教えていた司祭のジョルジュ・ルメートルが、それとは別に、同じ種類の解を導き出しました。彼はさらに先へ進みました。それを測定された銀河の赤方偏移と結びつけ、宇宙は膨張していると唱えたのです。彼の論文は、ほとんどの天文学者が読まない学術誌に載ったため、はじめはあまり注目されませんでした。

そして1929年、すでに渦巻き星雲が銀河であることを示していたエドウィン・ハッブルが、銀河の距離と赤方偏移をくらべました。彼は、はっきりとした決まりを見つけました。遠くにある銀河ほど、速く私たちから遠ざかっているのです。二倍遠くにある銀河は、およそ二倍の速さで遠ざかっています。今日、天文学者たちは、二人の功績をたたえて、この決まりをハッブル・ルメートルの法則と呼ぶことがよくあります。宇宙の膨張が受け入れられたあと、アインシュタインは、宇宙を静止させておくために書き加えた余分な項を取り下げました。

ハッブルの数字は完璧ではありませんでした。使った距離が小さすぎたので、膨張の速さについての値は何倍も大きすぎ、それを正すのに、多くの天文学者たちによる何十年もの仕事が必要でした。けれども、決まりそのもの、つまり距離が大きいほど速さも大きいということは、よりよい装置によって何度もくり返し確かめられてきました。これは科学ではよくあることです。最初の測定は何かがそこにあることを示し、あとの測定が、しばしば別の人々によって、それが正確にどれくらいなのかを示すのです。のちの夜には、アインシュタインの余分な項が、何年もたってから、思いがけない新しい役割をおびて戻ってきたことを見ていきます。

オーブンの中でふくらむパン

遠くの銀河ほど速く遠ざかっているというのは、どういうことなのでしょうか。いちばんわかりやすいたとえは、パン職人ならよく知っているものです。干しぶどうを全体にまぜこんだパン生地のかたまりを想像してみてください。暖かい場所で生地がふくらむと、生地のどの部分もふくらみます。どの干しぶどうも、ほかのすべての干しぶどうから遠ざかっていきます。どの干しぶどうも、ほかの干しぶどうを押しているわけではありません。あいだにある生地がふくらむことで、ただ引き離されていくのです。

では、干しぶどうを一つ選んで、その上に立っているところを想像してみてください。生地がふくらむと、近くの干しぶどうはゆっくり遠ざかっていきます。自分とのあいだに、生地が少ししかないからです。遠くの干しぶどうは、ずっと速く遠ざかっていきます。自分とのあいだにたくさんの生地があり、そのすべてがいっせいにふくらんでいるからです。これこそが、ハッブルが見つけた決まりなのです。そして、どの干しぶどうを選んでも変わりません。どの干しぶどうから見ても、ほかのすべての干しぶどうが遠ざかっているように見え、遠くのものほど速く遠ざかっていくのです。

宇宙では、生地にあたるのは空間そのものです。干しぶどうにあたるのは銀河、もっと正確に言えば銀河の集まりです。銀河は、中心の一点から空間の中を飛び去っているのではありません。そうではなく、銀河のあいだの空間が引き伸ばされているので、銀河どうしの距離が大きくなっていくのです。そして、引き伸ばされていく空間の中を光が進むと、その波も引き伸ばされます。遠くの銀河の光が赤方偏移をともなって届くおもな理由は、ここにあります。引き伸ばされる空間の中を長く旅してきた光ほど、その波は赤のほうへ大きく引き伸ばされているのです。

どんなたとえにも限界があり、パンのたとえもそうです。生地のかたまりにははしと中心があり、もっと大きなオーブンの中に置かれています。私たちの知るかぎり、宇宙にははしも中心もなく、外側にある何かの中へ向かって膨張しているわけでもありません。ですから、干しぶどうのたとえは、一つの考えのためだけに使うのがいちばんです。すべてのものが、ほかのすべてのものから遠ざかっていて、遠くのものほど速く遠ざかっている、という考えです。その考えについては、このたとえは見事にあてはまります。

パンが教えてくれることが、もう一つあります。もし一つの干しぶどうからふくらんでいく生地をながめることができたら、近所の干しぶどうがどれくらいの速さで遠ざかっていて、どれくらい離れているのかを測ることができるでしょう。その二つの数字から、生地がふくらみはじめる前、すべての干しぶどうが小さくかたいかたまりの中にぎゅっと詰まっていたのはどれくらい前なのかを、割り出すことができます。天文学者たちは、銀河を使ってまさにこれを行いました。膨張の速さと銀河の距離を合わせると、宇宙のおおよその年齢がわかるのです。ほかの多くの手がかりも使った、今日の注意深い値は、およそ138億年です。

この発見は、はじまりについての問いを、すっかり変えてしまいました。もし今、銀河がたがいに遠ざかっているのなら、きのうはもう少し近くにあり、去年はもっと近く、ずっと昔にははるかに近くにあったことになります。大きくなっていく宇宙は、歴史を持つ宇宙なのです。はじめて、「全部はどうやって始まったの？」という問いは、物語や哲学のための問いだけではなくなりました。望遠鏡と測定によって調べることのできる問いになったのです。

サミへのメッセージ

りんごを食べたあと、ヌールは弟にメッセージを書きました。「今日は、ロボットアームで貨物船をつかまえたよ。今夜の話。遠くの銀河の光は、赤のほうへ引き伸ばされているの。救急車が走り去るときに、サイレンの音が低くなるみたいに。遠くの銀河ほど、光は大きく引き伸ばされている。空間そのものが伸びているんだよ。干しぶどうの入ったパンがふくらむみたいにね。ところで、貨物には新鮮な果物が入っていたよ。サミのことを思い出したよ」

サミの返事は、仕事のあとに届きました。「サイレンなら毎晩聞いてるよ」と彼は書いていました。「もう二度と、同じようには聞こえないだろうな」。そして、配達先の一人で、朝四時から仕事を始める年配のパン職人の女性に干しぶどうパンの話をしたら、笑われたと書きそえていました。四十年間、知らないうちに宇宙の模型をつくってきたのね、と言われたそうです。

ヌールはそれを読んで笑い、朝食のときにトマスとアデに読んで聞かせました。トマスは、いちばんいい説明はいつも、手を使って働く人たちから出てくるようだね、と言いました。アデは、次の夜の物語についても、そのパン職人の意見を聞いてみたいと言いました。次の夜は、宇宙のフィルム全体を逆回しする話でした。

今夜、もし車や電車が通り過ぎる音が聞こえたら、近づいてくるときと遠ざかっていくときで音が変わるのに、耳をすませてみてもよいかもしれません。それは、日々の小さなできごとです。けれども、同じ考えを、遠くの銀河の光に細心の注意をはらってあてはめることで、私たちが大きくなりつつある宇宙に住んでいること、そして宇宙はかつてまったくちがう姿をしていたはずだということがわかったのです。

よくある誤解

すべての銀河が私たちから遠ざかっているのなら、私たちは宇宙の中心にいるにちがいない、と思っている人はたくさんいます。たしかに、ここから見るとそう見えます。けれども、干しぶどうを思い出してください。ふくらむ生地の中のどの干しぶどうから見ても、ほかのすべての干しぶどうが遠ざかっているように見えます。私たちから何十億光年も離れた銀河に住んでいる天文学者がいたとしたら、その人にもまったく同じものが見えるはずです。遠くの銀河がすべて自分から遠ざかっていて、遠くのものほど速い、というようすです。特別な中心はありません。どの場所からも自分が真ん中にいるように見えますが、どこも真ん中ではないのです。

もう一つのよくある思いこみは、銀河は、爆発で飛び散るかけらのように、一つの点から空間の中を飛び去っている、というものです。このイメージはとても自然ですが、いちばんよい描き方ではありません。銀河は、近くの銀河に引っぱられて、空間の中を少しは動いています。けれども、距離が大きくなるおもな理由は、銀河のあいだで空間そのものが引き伸ばされていることにあります。膨張が始まった一点というものが空間の中にないのも、そのためです。引き伸ばされることは、あらゆる場所でいっせいに起きていて、はじまりからずっとそうだったのです。

地球も、ステーションも、自分の体も、何もかもが膨張しているのだろうかと考える人もいます。空間が引き伸ばされているなら、私たちも引き伸ばされているのでしょうか。答えは「いいえ」です。引き伸ばされることが意味を持つのは、銀河の集まりのあいだにある、とてつもなく大きな何もない距離においてだけです。原子や、人や、惑星や、太陽系や、銀河の内部では、ものをまとめている力が、空間のおだやかな引き伸ばしよりもはるかに強いので、そうしたものは大きさを保っています。あなたの体も、台所のテーブルも、ヌールのロボットアームも、大きくなってはいません。それに、すべての銀河が私たちから遠ざかっているわけでもありません。お隣の銀河であるアンドロメダは、重力に引かれて私たちのほうへ近づいています。スライファーがいちばん最初の測定で見つけたとおりです。膨張は、宇宙のいちばん大きな規模での決まった型であって、その中のあらゆるものにあてはまる決まりではないのです。次の夜には、その型を時間の流れとは逆の方向へたどり、それがどこへ行きつくのかを見ていきます。