第9章　暗黒時代と最初の星

第97夜：夜の側の写真

九十七日目、地上は乗組員に、夜の地球の写真を撮ってほしいと頼んでいました。地上の科学者たちは、そうした写真を使って多くのことを調べます。町や道路の明かり、年月とともに明かりが広がっていくようす、嵐、そして暗闇の中の海岸線の形などです。この仕事は、かんたんそうに聞こえます。けれども実際には、ステーションの中でもむずかしい部類の仕事です。ステーションがとても速く動いているからです。

時速およそ2万8000キロメートルで進んでいると、下の地上はすばやく流れ去っていきます。夜の側の写真は、光がとても少ないので長い露出が必要ですが、カメラと地上がおたがいに対して動いていると、長い露出ではぶれてしまいます。そこでヌールは、地上を追いかけてゆっくり回るカメラの台を使い、一枚ずつ画面で確かめてから次の写真を撮りました。アデが隣に浮かび、科学者たちが頼んできたそれぞれの地域の上をステーションが通る時刻を読み上げていきました。

予定された写真の合間に、どんな予定表にも書けないものが見えました。遠く横のほうでは、嵐が稲妻でひらめいていて、大きな暗い家の中で明かりをつけたり消したりしているように、雲が次々と光っていました。地球のふちの近くでは、緑色のオーロラのカーテンがゆっくりと波打ち、そのてっぺんにはかすかに赤みがさしていました。それらすべての上には、惑星の丸みに沿って、光る空気の細く淡い帯が横たわり、さらにその上には、黒い空と星々がありました。

ヌールには、自分が何を見ているのかがわかっていました。オーロラは、太陽から流れ出てくる小さな粒子が、地球の磁気によって極に近い地域へ導かれ、そこで上空のうすい空気を光らせるときにあらわれます。光る看板の中のガスに少し似ています。惑星のふちに沿った淡い帯は、空気そのものでした。昼のあいだに太陽の光から受けとったエネルギーの一部を、ごくかすかに返していたのです。

ステーションがふたたび日の光の中に入ると、ヌールはカメラを片づけ、写真に目を通しました。ほとんどはよく撮れていました。何枚かはぶれていたので、科学者たちにわかるように印をつけておきました。それから彼女は、最後の一枚を画面に映したまま、しばらく座っていました。暗い地球、散らばったいくつかの明かり、そしてその上の、まったくの暗闇。それを見ていると、いちばん古い光のあとの宇宙について読んだことが思い出されました。まだ星が一つもなかった時代のことです。

その夜、彼女はサミの質問に答えるかわりに、自分から質問をしました。夜の道すじでいちばん暗い場所はどこか、とたずねたのです。サミは、畑のあいだを通る長い道で、町も街灯もないところだと返事をくれました。そこでは、ときどきラジオを消して、静けさの中を運転するのだそうです。ヌールは、宇宙にもかつてそんな暗闇があったのだと教えました。ただしずっと長く、何百万年も続いた暗闇です。そして、その中に最初にあらわれた明かりが、最初の星だったのだと。

いちばん古い光のあとで

以前の夜に、私たちは、はじまりからおよそ38万年たったころに霧が晴れるのを見ました。原子ができ、いちばん古い光が解き放たれました。はじめのうち、その光は温かく明るいもので、数千度の温度を持つものの輝きでした。もしその場にいることができたら、空全体がやわらかなオレンジ色の光で輝いていたことでしょう。けれども宇宙は膨張を続け、光は引き伸ばされつづけました。何百万年かのあいだに、その波は目に見えるよりも長くなりました。人間の目にとって、空は暗くなったのです。

その光にかわるものとなる星は、まだありませんでした。宇宙はガスで満たされていて、そのほとんどすべてが、最初の数分間につくられた単純な元素である水素とヘリウムでした。ガスは空間の中にかなり一様に広がっていましたが、完全に一様ではありませんでした。いちばん古い光の中に見た、あのごく小さなさざ波があったからです。そして、もう一つ別のものがありました。次の夜にきちんと紹介しますが、ダークマターと呼ばれる、目に見えない大量の物質です。それは光りませんが、重力で引っぱる力は持っています。

暗黒時代はどれくらい続いたのでしょうか。それは、いちばん古い光が見えなくなったときに始まり、最初の星が輝きはじめたときに終わりました。最初の星はおそらく、はじめの数億年のうちにできたので、暗黒時代はおそらく一億年かそれ以上続いたのでしょう。正確な長さはだれにもわかりません。いずれにしても、それはとても長い夜でした。人類の歴史全体を何倍にもしたよりも、はるかに長い夜です。

天文学者は、この長い期間を宇宙の暗黒時代と呼んでいます。それが暗かったのは、何もなかったからではありません。その中で、まだ何も輝いていなかったから暗かったのです。夜の最後の公演が終わったあとの大きな劇場を思い浮かべてみてください。観客は帰り、明かりは消え、舞台は静まりかえっています。けれども、建物は空っぽではありません。座席も、幕も、舞台も、すべてまだそこにあって、次の公演を待っているのです。

暗黒時代のあいだ、重力はゆっくりとはたらいていました。宇宙がほんのわずかに密度の高かった場所では、重力が少しだけ強く引っぱりました。そうした場所はより多くの物質を引きよせ、そのためにさらに密度が高くなり、そのためにさらに引く力が強くなりました。これが、重力の根気強い仕事です。小さなちがいが、時とともに大きくなっていくのです。目に見えないダークマターがまずかたまりに集まり、ふつうのガスは、地面のくぼみに水が流れこむように、そのかたまりの中へ落ちこんでいきました。

ガスが集まって密度が高くなると、その中心は熱くもなっていきました。自転車の空気入れの中の空気が、押し縮めると温かくなるのと同じことです。長いあいだ、ガスのかたまりは星にならずに大きくなっていきました。それから、もっとも密度の高い場所で、中心のガスがあまりにも熱く、ぎっしりと詰まって、新しい種類のはたらきが始まりました。水素の原子核がヘリウムへと結びつきはじめ、エネルギーを出すようになったのです。核融合と呼ばれるはたらきで、のちの夜にくわしく見ていきます。それが起きたとき、星が生まれました。暗黒時代のあとの最初の明かりが、ともったのです。

最初の星々

最初の星は、いつあらわれたのでしょうか。天文学者たちは、それはおそらく、はじまりから最初の数億年のうちにできたと考えています。正確な時期はわかっていませんし、場所によってちがっていたのかもしれません。もっとも密度の高いかたまりが、最初に星をつくったはずだからです。宇宙の年齢全体、およそ138億年とくらべると、数億年というのはかなり早い時期です。最後の夜にお話しする、長い一日の勤務の物語で言えば、それは真夜中を過ぎて最初の三十分のうちのどこかにあたります。

最初の星は、おそらく太陽とはまったくちがうものでした。それらは、ほとんど水素とヘリウムだけでできていました。重い元素がまだなかったからです。重い元素は、ガスの雲が冷えて、より小さなかけらに分かれるのを助けます。それがなかったので、若い宇宙のガスの雲はおそらくもっと温かいままで、はるかに大きなかたまりにつぶれていったのでしょう。ですから多くの天文学者は、最初の星はとても大きいものが多く、ことによると太陽の何倍も重かったのではないかと考えています。

大きな星は、生き急ぎます。太陽よりずっと重い星は、小さな星よりもはるかに速く燃料を使いきってしまいます。その中心がずっと熱く、ずっと密度が高いからです。太陽はおよそ46億年輝いてきて、まだ一生のおよそ半分のところにいます。最初の星の中でいちばん大きなものは、ほんの数百万年しか生きなかったかもしれません。それから、おそらく大爆発によって一生を終え、その爆発が、最初の重い元素を宇宙にまき散らしました。それは、のちの夜にたどっていく物語のはじまりです。

ここでは正直でいることが大切です。最初の星についてお話ししてきたことの多くは、注意深い計算やコンピューターによる模型から来ていて、直接の観測から来ているのではありません。天文学者たちは、最初の星が水素とヘリウムでできていて、その多くが大きかったということには、かなり自信を持っています。けれども、それがどれくらい大きかったのか、どれくらいの数があったのか、正確にどのようにしてできたのかは、まだ研究が続いています。模型がちがえば、答えもいくらかちがってきます。いちばん最初の星の一つを、はっきりと見て、それが何なのか確信した人は、まだだれもいないのです。

天文学者たちが調べることのできる、最初の星々の美しい影響もあります。大きくて熱い星は、強い光を大量に出し、その多くは紫外線です。晴れた日に肌を焼く種類の光です。この強い光は、星のまわりのガスの中にある水素の原子から、電子をはじき飛ばすことができました。少しずつ、初期の星や初期の銀河の一つひとつのまわりに、自由な電子をふくむガスの泡が大きくなっていきました。泡は広がって、つながっていきました。宇宙がおよそ十億歳になるころには、銀河のあいだのガスのほとんどが、このように変えられていました。初期の星々の光が、残っていた暗闇をすっかり晴らしたのです。

過去をふり返った人々

天文学者たちは、最初の星や銀河をどうやって探すのでしょうか。その答えは、この本のいちばん最初のころの夜に戻ります。光は進むのに時間がかかります。遠くにあるものほど、その光は長い時間をかけて私たちに届くので、より遠い過去の姿が見えます。もっとも初期の銀河を見るには、天文学者はもっとも遠くの銀河を見なければなりません。それらはとてつもなく暗いので、とても大きく、とても感度のよい望遠鏡が必要なのです。

1990年、地上からのながめをぼやけさせる空気の上へ、地球のまわりを回る軌道に一台の望遠鏡が打ち上げられました。以前の夜に出会った天文学者エドウィン・ハッブルにちなんで、ハッブル宇宙望遠鏡と呼ばれています。1990年代のなかごろ、そのチームは、はじめはほとんどむだづかいにも思えることをしました。まったく何もないように見える空のごく小さな一角、満月よりもはるかに小さな一角に、何日ものあいだ望遠鏡を向けたのです。すべての写真を足し合わせてみると、その何もない一角は銀河でいっぱいでした。何千もの銀河があり、その多くはとても遠くにあって、光が何十億年も旅をしてきたものでした。

けれども、その望遠鏡にも限界がありました。遠ざかる銀河の夜に見たように、とても遠くの銀河からの光は、空間の膨張によって引き伸ばされています。最初の銀河を青い光や紫外線として出発した光は、今日、赤外線として届きます。私たちの目には長すぎる波です。赤外線は、たとえばストーブからの温かさとして私たちが感じる種類の光です。もっとも初期の銀河をよく見るためには、天文学者たちは、とくに赤外線のためにつくられた望遠鏡を必要としていました。

その望遠鏡が、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡です。とても多くの技術者や技能者や科学者による長年の計画と製作をへて、2021年12月に打ち上げられました。その大きな鏡はロケットの中に入れるには大きすぎたので、たくさんのかけらに分けてつくられ、宇宙で花が開くように広げられました。この望遠鏡はかすかな温かさを探すので、とてつもなく冷たく保たれなければなりません。そのため、太陽の熱をさえぎる大きな日よけを持っています。そして、月よりもはるかに遠く、地球から離れた静かな場所に送られました。そこでは、太陽と地球と月がいつも同じ側、日よけの向こう側にあるのです。

その旅そのものも、注意深い仕事の長い積み重ねでした。望遠鏡が目的の場所にたどり着くまでにはおよそ一か月かかり、そのあいだに、日よけ、鏡のかけら、そして多くの小さな部品が、一段ずつ広げられていきました。どの段階も地上で試されていましたが、そのどれもが、だれも修理に行くことのできない宇宙で、うまくいかなければなりませんでした。それをつくった人々の多くは、この一つの機械に何年もの仕事人生をささげたあとで、その数週間をかたずをのんで見守りました。

仕事を始めてから、ウェッブ望遠鏡は、宇宙がまだ数億歳だったときに光が出発した銀河を見つけてきました。こうした初期の銀河の中には、多くの天文学者が予想していたよりも明るく、よく育っているものもあります。そのため、最初の銀河がどれくらい速く育ったのかについて、活発な議論が始まりました。そうした議論は、今も続いています。新しい装置は古い問いに答えるだけではないということを示す、よい例です。新しい問いも投げかけるのです。

いちばん最初の星を、今も探して

ウェッブ望遠鏡でさえ、いちばん最初の星を一つひとつはっきりと見たことはまだありません。それが見ているもっとも初期の銀河には、すでにたくさんの星がふくまれていて、そうした星の中には、それより前の星がつくった重い元素をすでにふくんでいるものもあるかもしれません。水素とヘリウムだけでできた、いちばん最初の星は、おそらく暗すぎ、遠すぎて、一つずつ見ることはできないのでしょう。天文学者たちは、別の方法でその手がかりを見つけたいと考えています。たとえば、もっとも初期の銀河の光の中や、それらの星が爆発するときの明るいひらめきの中にです。

探す方法はほかにもあります。暗黒時代の水素ガスは、それ自身のとてもかすかな電波を出していました。いくつかの科学者のグループが、それをとらえようとして電波の装置をつくっています。これはとてもむずかしい仕事です。信号がとても弱いうえに、地球や私たち自身の銀河からの電波の雑音がとても強いからです。いちばん古い光を見つけた技術者たちが、雑音でいっぱいの部屋の中で静かな声を聞きとろうとしていたのに、少し似ています。この信号を、だれもが納得する形で測った人は、まだいません。

天文学者たちは、身近なところ、私たち自身の銀河の中にある古い星も調べています。天の川銀河の星の中には、とても古く、重い元素をほんのわずかしかふくんでいないものがあります。それらはいちばん最初の星ではありませんが、その子どもや孫かもしれません。それより前の、一世代かいくつかの世代の星によって、ほんの少しだけ豊かにされたガスからできた星です。こうした古い星にふくまれるわずかな重い元素を調べることで、天文学者たちは、それより前にあった星について何かを知ることができます。子孫に受けつがれた家族の面影を見て、ひいおじいさんやひいおばあさんのことを知るのに、少し似ています。

ですから、最初の星の探索は、たくさんの場所で同時に進められています。遠くを見る宇宙の望遠鏡で、暗黒時代に耳をすませる電波の装置で、そして近くのもっとも古い星を調べる地上の望遠鏡で。どの方法も、全体の絵の一部を教えてくれます。けれども、全体の絵をまるごと教えてくれる方法は、まだどれもありません。科学の多くは、このようにして進みます。多くの人々が長い年月をかけて行う、小さく注意深い仕事の数々が、少しずつかみ合っていくことによってです。

眠る前に

眠る前に、ヌールはもう一度窓の外をながめました。ステーションはふたたび夜の側の上にあり、今度は、目が慣れるように、小さな丸い部屋の明かりを消しました。数分たつと、星がもっとあらわれ、さらにあらわれ、ついには黒い空が星でいっぱいになりました。ステーションから見ると、星はまたたきませんでした。どれも落ち着いて輝いていて、その一つひとつが太陽で、近いものもあれば遠いものもありました。

アデが静かに漂ってきて、しばらく彼女の隣で外をながめていました。これほどたくさんの星を見るたびに、かつて一つもなかったなんて信じられない気がする、と彼は言いました。ヌールは、だれかがそれを解き明かしたことのほうが信じられない、と言いました。それから二人とも、自分の寝室に戻りました。次の日の仕事は、早くから始まるからです。

彼女はサミにこう書きました。「今度あの暗い道を走るとき、このことを思い出して。一億年かそれ以上、宇宙全体は、あの道よりも暗かったの。それから、一つ、また一つと、最初の星に明かりがともっていった。夕暮れどきの町に、最初の明かりがつくみたいに」。サミは、あの暗い道でたいてい最初に見える明かりは、コーヒーを買うガソリンスタンドだけど、これからはそれを星だと思うことにするよ、と返事をくれました。

長い一日の仕事のあと、あなたも暗い中を歩いて、あるいは車で家に帰るのかもしれません。自分の通りや家の最初の明かりが前方に見えてくるとき、それは小さな、ありふれたなぐさめです。宇宙にも、ずっと昔、その瞬間にあたるものがありました。最初の星々が暗闇の中で輝きはじめたときです。そのあとにやってきたものすべて、銀河も、太陽も、地球も、そのはじまりから育っていったのです。

よくある誤解

宇宙の暗黒時代が暗かったのは、宇宙が空っぽだったからだ、と思っている人はたくさんいます。宇宙はまったく空っぽではありませんでした。水素とヘリウムのガスでいっぱいで、目に見えないダークマターでいっぱいで、そのころにはもう目に見えないところまで引き伸ばされていた、いちばん古い光でもまだいっぱいでした。暗黒時代が暗かったのは、まだ何も輝いていなかったからです。それは、静かな形でにぎやかな時代でもありました。重力が少しずつ物質を引きよせて、最初の星ができることになるかたまりをつくっていたからです。

また、最初の星は太陽のようなものだった、と想像している人もたくさんいます。それらはおそらく、まったくちがうものでした。ほとんど水素とヘリウムだけでできていて、太陽がふくんでいるような重い元素はありませんでした。その多くはおそらく、太陽よりもはるかに大きく、熱く、ずっと短い一生を送りました。太陽は、ずっとあとの星です。のちの夜に見ていくように、太陽は、それより前の何世代もの星によってすでに豊かにされたガスからできたのです。

最後に、とても暗い場所を見つけて見上げれば、最初の星を自分の目で見ることができる、と思っている人もいます。残念ながら、それはできません。最初の星はずっと昔に一生を終えていて、その光は、もし私たちに届いているとしても、いちばん大きな望遠鏡なしで見るにはあまりにもかすかで、あまりにも引き伸ばされています。そして、いちばん大きな望遠鏡でさえ、まだそれをはっきりとは見ていないのです。暗い夜に見える星は、はるかに近く、はるかに若く、そのほとんどすべてが私たち自身の銀河の中にあります。けれども、その一つひとつが、同じ長い物語の一部なのです。次の夜には、最初の星のかたまりがどのように銀河へと育ったのか、そして、目に見えない何かがその成長をどのように助けたのかを見ていきます。