原子核と原子宇宙マイクロ波背景放射はどう始まったか
最も軽い元素はビッグバンの数分後に、原子は38万年後に生まれ、光が自由に進めるようになった。これらの出来事と、残光の発見。
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宇宙マイクロ波背景放射は、ビッグバンの残光です。それはビッグバンから約38万年後、電子が原子核に捕らえられて宇宙が透明になり、最初の光が未来への旅を始めたときにできました。その光は、今も測定できます。それ以前の3分の時点で、質量の約25%がヘリウムになり、20分までに最も軽い元素のレシピが固まりました。
この時代は3分から1億5000万年まで続き、3つの部分があります。最も軽い元素をつくる元素合成、光が初めて自由に進む再結合と透明化、そして最後に、宇宙に星がなく、中性水素が冷えていくだけの長い暗黒時代です。
6つの出来事
- 3分・ビッグバン元素合成：質量の約25%がヘリウムになる。
- 20分・リチウム7の生成：最も軽い元素のレシピが固まる。新しい元素は、星が現れるまで待たなければならない。
- 4万7000年・物質優勢：物質の密度が放射の密度を上回り、物質が光や放射より重くなる。
- 38万年・再結合：電子が原子核に捕らえられる。
- 38万年・宇宙マイクロ波背景放射：宇宙が透明になり、最初の光が未来へ向かう。濃い霧が突然晴れるようなものです。
- 38万年〜1億5000万年・暗黒時代：星はなく、中性水素が冷えていくだけ。
軽い元素のレシピ
ラルフ・アルファーとジョージ・ガモフは、ビッグバンで軽い元素がどうできたかを計算し、「αβγ」という冗談のためにハンス・ベーテの名前が加えられました。この論文のタイトルは「化学元素の起源」です（Alpher, Bethe and Gamow, Physical Review, 1948）。上の年表に照らすと、3分の時点でヘリウムはすでに豊富にあり、リチウム7は20分までに現れて、最も軽い元素のレシピが固まりました。
2人が偶然見つけた残光
ベル研究所の2人の研究者は、アンテナの雑音をどうしても取り除けませんでした。やがてそれがビッグバンの残光だと気づき、1978年のノーベル賞を受賞しました。その論文のタイトルは控えめで、「4080 Mc/s における過剰アンテナ温度の測定」です（Penzias and Wilson, The Astrophysical Journal, 1965）。偶然にも、プリンストンのチームがまさにこの放射を探す準備をしていて、隣人に先を越されました。彼らは理論的な説明を書き上げ、そのタイトルは「宇宙黒体放射」です（Dicke, Peebles, Roll and Wilkinson, The Astrophysical Journal, 1965）。
残光をより精密に測る
COBE が測定したスペクトルは、理論上の黒体放射の曲線とほぼ完全に一致し、ビッグバン理論に決定的な裏づけを与えました。論文は「宇宙背景放射探査衛星（COBE）による宇宙マイクロ波背景放射スペクトルの予備的測定」です（Mather et al., The Astrophysical Journal Letters, 1990）。2年後、同じ衛星のデータから、背景放射に10万分の1の温度のむらがあることがわかりました。この小さな差が、のちの銀河の種です。論文のタイトルは「COBE 差分マイクロ波放射計の初年度マップに見られる構造」です（Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters, 1992）。初期宇宙の音波は、銀河の分布にも約5億光年という特徴的なスケールを残し、宇宙を測るものさしになりました。論文は「SDSS 輝線赤色銀河の大規模相関関数におけるバリオン音響ピークの検出」です（Eisenstein et al., The Astrophysical Journal, 2005）。そしてプランク衛星は、残光の細かなさざ波を測定しました。通常の物質は宇宙の全エネルギーの約5%、暗黒物質は約27%で、残りは暗黒エネルギーです（Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020）。
暗黒時代を「見る」には
星がなければ見るための光もないので、研究者は水素に頼ります。人類は初めて中性水素の21センチの電波放射を検出し、それによって、天の川銀河の中でふだんは見えないガスを「見る」ことが可能になりました。論文のタイトルはそのまま「銀河系電波スペクトルにおける線の観測」です（Ewen and Purcell, Nature, 1951）。EDGES 実験は、第一世代の星が残した21センチの吸収信号を報告しました。論文のタイトルは「全天平均スペクトルにおける78メガヘルツを中心とする吸収プロファイル」です。この結果は今も議論があり、独立した検証を待っています（Bowman et al., Nature, 2018）。
原子の中身
アルファ粒子が金箔で時おり跳ね返されることから、アーネスト・ラザフォードは、原子の質量が小さな原子核に集中していると推論しました（Rutherford, Philosophical Magazine, 1911）。論文のタイトルは「物質によるα粒子とβ粒子の散乱と原子の構造」です。
ゲームでの表現
ゲームでは、原子核と原子の時代の期間は「3分〜1億5000万年」で、資源は原子です。ジェネレーターは陽子捕獲、重陽子融合、ヘリウム4合成、電子捕獲で、元素合成から原子の形成までの過程に対応しています。
実際の根拠
ビッグバン元素合成(3分):質量の約25%がヘリウムになる
リチウム7の生成(20分):最も軽い元素のレシピが決まる
物質優勢(4万7000年):物質の密度が放射を上回る
再結合(38万年):電子が原子核に捕らえられる
宇宙マイクロ波背景放射(38万年):宇宙が透明になり、最初の光が未来へ旅立つ
暗黒時代(38万年〜1億5000万年):星はなく、中性水素が冷えるだけ
関連する研究
これらの研究はこのトピックに関連しますが、このページの直接の証拠ではありません。
αβγ論文：アルファーとガモフはビッグバンで軽い元素ができる過程を計算し、ベーテの名前が加えられて「αβγ」になった。
出典：Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948, "The origin of chemical elements"
宇宙マイクロ波背景放射：ベル研究所の2人の研究者はアンテナのノイズをどうしても消せず、ついにそれがビッグバンの残光だと気づいた。1978年のノーベル賞を受けた。
出典：Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"
残光を説明する：プリンストンのチームはこの放射を探す準備をしていたが、隣の研究所に先を越され、理論的な説明を書き記した。
出典：Dicke, Peebles, Roll & Wilkinson, The Astrophysical Journal 1965, "Cosmic black-body radiation"
完全な黒体：COBEが測定したスペクトルは理論上の黒体曲線とほぼ完全に一致し、ビッグバン理論に決定的な裏づけを与えた。
出典：Mather et al., The Astrophysical Journal Letters 1990, "A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite"
残光のさざ波：背景放射には10万分の1の温度のさざ波がある。このわずかな差が、銀河の種になった。
出典：Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters 1992, "Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps"
バリオン音響振動：初期宇宙の音波は、銀河の分布に約5億光年という特徴的なスケールを残し、宇宙を測る物差しになった。
出典：Eisenstein et al., The Astrophysical Journal 2005, "Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies"
21センチ線：中性水素からの21センチ電波放射がはじめて検出され、人類は天の川銀河の、それまで見えなかったガスを「見る」ことができた。
出典：Ewen & Purcell, Nature 1951, "Observation of a line in the galactic radio spectrum"
宇宙の夜明けのシグナル：EDGES実験は最初の星が残した21センチの吸収信号を報告したが、結果はまだ議論の的で、独立した検証を待っている。
出典：Bowman et al., Nature 2018, "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum"
原子核：アルファ粒子が金箔から時おり跳ね返ってくるのを見て、ラザフォードは、原子の質量がごく小さな核に集中していると結論した。
出典：Rutherford, Philosophical Magazine 1911, "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom"
宇宙のレシピ：プランク衛星は宇宙マイクロ波背景放射の微小なゆらぎを測定した。通常の物質は宇宙の全エネルギーの約5%、暗黒物質は約27%、残りはダークエネルギーだ。
出典：Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"
関連するオープンソースプロジェクト
CAMB
スター260個
cmbant/CAMB
宇宙マイクロ波背景放射の温度ゆらぎを計算する。宇宙論研究者は、こうしたプログラムをプランク衛星のデータに当てはめて、宇宙の年齢と組成を求める。