ビッグバン・CMB・インフレーションとダークエネルギー
現代宇宙論の標準ビッグバン理論とそれを支える観測証拠、さらに未解明のダークマター・ダークエネルギー・インフレーションを概観します。
基本知識
宇宙は約138億年前、超高温・超高密度の状態（ビッグバン）から始まったと考えられています。主要な時系列：
・10⁻³⁶〜10⁻³² 秒：インフレーション（指数関数的膨張。宇宙が10²⁶倍に拡大）
・10⁻⁶ 秒：陽子・中性子が形成（クォーク閉じ込め）
・3分：ビッグバン元素合成（H・He・Li の原子核が形成。He は宇宙の質量の約25%）
・38万年：宇宙の晴れ上がり（電子と陽子が結合し水素原子形成・光が自由に伝播）
・現在（138億年）：観測可能な宇宙の半径 約465億光年
「晴れ上がり」時の光が冷えて現在は約2.7Kの電磁波（宇宙マイクロ波背景放射 CMB）として全天から観測されます。CMBの温度の微小なゆらぎ（10⁻⁵の差）が現在の大規模構造の種です。
インフレーション（ビッグバン直後の指数関数的膨張。地平線問題・平坦性問題を解決）
ビッグバン元素合成（初期3分でH・He・Li核が形成。Heは質量比約25%）
晴れ上がり（38万年後に光が自由に伝播できるようになった転換点）
宇宙マイクロ波背景放射(CMB)（晴れ上がり時の光の名残。現在約2.7K）
ダークマター（重力的に観測されるが光を出さない物質。宇宙の約27%）
ダークエネルギー（宇宙膨張を加速させる未知のエネルギー。宇宙の約68%）
深掘り (背景・意義)
インフレーション理論（1981年 佐藤勝彦・アラン・グース独立提唱）は、地平線問題（遠い方向のCMBが同じ温度→因果関係がないはずなのになぜ均一？）と平坦性問題（宇宙の曲率がなぜほぼゼロ？）を解決します。インフレーション中の量子ゆらぎが引き伸ばされて宇宙の構造の種（原始密度ゆらぎ）になりました。
ダークマターの候補：WIMP（弱い相互作用をする重い粒子）、アクシオン、不活性ニュートリノなどが検討されていますが2025年現在まだ直接検出されていません。
ダークエネルギーは宇宙定数 Λ（アインシュタインが一度撤回した定数）として定式化されます。宇宙の95%が未知の成分というのは現代物理の最大の謎の一つです。
- 宇宙の始まり：約138億年前・ビッグバン
- インフレーション：10⁻³⁶〜10⁻³² 秒・指数関数的膨張
- ビッグバン元素合成（3分）：He質量比約25%
- 晴れ上がり（38万年後）→CMBが自由に伝播
- CMB：現在2.7K・全天から観測
- 宇宙組成：通常物質5%・DM27%・DE68%
- ΛCDMが宇宙論の標準モデル
注意点 (混同しやすい)
① インフレーション（10⁻³⁶s）とビッグバン元素合成（3分）と晴れ上がり（38万年）の時系列順を正確に。② CMBは「ビッグバンの光」ではなく「晴れ上がり時の光の名残」（ビッグバン直後の光は宇宙が不透明だったため届かない）。③ ダークマター（重力・引力）とダークエネルギー（加速膨張・斥力的効果）を混同しない。④ 観測可能な宇宙の半径 465億光年 ≠ 宇宙年齢×光速（宇宙膨張のため）。
練習
- CMBの現在の温度はおよそ何Kか。
- インフレーション理論が解決しようとした問題を1つ挙げなさい。
- ΛCDMモデルにおける宇宙の組成（通常物質・ダークマター・ダークエネルギーの割合）を答えなさい。