経験したことのある人なら誰でも、夜空が実際に暗いことに疑問の余地はないでしょう。 しかし…この単純な事実を説明することは、深く考えると、解決すべき多くの問題を提起することになります。 日中は、太陽光が大気のあらゆる方向から降り注ぎ、目に見えるあらゆる場所から直射日光と反射光の両方が私たちに降り注ぎます。 夜には、太陽光は大気中に降り注がないので、星や惑星、月など、光の当たらない空はどこもかしこも暗いのです。 宇宙が無限なら、私たちの視線はどの方向を見ても、いずれは星にぶつかるはずではないでしょうか。 何兆個もの銀河があり、私たちの目では見えないような暗い銀河まで見える望遠鏡があるのに、なぜすべての銀河の光を合わせても空の上のすべての地点が照らされないのだろう？
グランドキャニオン付近の天の川。偶然にも私自身が初めて天の川を見たのは、都市部で育ったため20代になってからでした。 天の川の平面は暗く、銀河の平面にある背景の星々に照らされてシルエットのように見える。
Bureau of Land Management, under a cc-by-2.0 license
これは何世紀にもわたって科学者を悩ませたパズルです。 深く考えてみると、自分でも意味がわからなくなるかもしれません。 確かに地球の大気は可視光に対してほとんど透明であり、そのおかげで私たちは夜、深宇宙の広大な深淵を見ることができるのです。 私たちが銀河系の中にいるということは、銀河系平面だけが、天の川銀河の中心部からの光を遮る前景の塵やガスによって隠されていることを意味します
しかしその外側では、あらゆる方向、あらゆる位置の光が見えると期待するかもしれません。 もし宇宙が本当に無限なら、深宇宙の空洞はどこまでも続いていることになります。
XDFの紫外可視赤外フルコンポジットは、これまで発表された中で最も素晴らしい遠方の画像です。 宇宙。 ハッブル宇宙望遠鏡によって、全天のわずか3,200万分の1の領域に、5,500個もの銀河が発見されたのです。 しかし、数千億個以上の銀河が存在する宇宙を示すこの非常に深い視野においても、宇宙はまだ暗いままです。 Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)
これが本当なら、夜空はまったく暗くなく、光路が地球までの長い旅をしたすべての星で照らされているはずです。
しかし、人間の目や従来の望遠鏡でさえも星や銀河を見ることができない、何もないように見える宇宙の最も深いところを見るときでさえ、私たちの最も強力な天文台はそこにあるものを非常に多く明らかにしますが、それはまだ空の宇宙の黒い背景に対するいくつかの光の点に過ぎません。 そう、宇宙には星や銀河がたくさんあり、それらは数百万、数十億、あるいは数百億光年という膨大な距離にあります。 星の光は宇宙を駆け巡り、我々の最高の観測機器に到達し、膨大な広がりを持つ豊かな宇宙を明らかにします。 しかし、巨大といっても、どんなに大きくなっても、無限にはほど遠い。
もしかしたら、宇宙は本当に無限で、無限の数の星や…銀河が四方八方にあるという可能性もあります。 しかし、もしそうであれば、いずれ自分の視線が明るい天体と交差することは十分に予想されます。
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
宇宙が有限か無限かについては、科学的にはまだ判断がつきません。 しかし、私たちが知っていることは、私たちが観察できる宇宙の部分は有限であるに違いないということです。 20世紀後半まで、宇宙の大規模構造についてほとんど何も知らなかったにもかかわらず、観測可能な宇宙が無限に大きいということは、単に不可能であることがわかったのです。 もし無限に広がる宇宙で、星や銀河の密度が一定であれば、どの方向から見ても無限の光を見ていることになるのです。 近くにある星は全部見えるし、星と星の間の空間には遠くにある星も見える。 その星と星の間に、さらに遠くの星が見える。 何百万光年、何十億光年、何兆光年、何千億光年といった距離に関係なく、最終的にはどこを見ても星にぶつかるのです。
星にはさまざまな大きさや色、質量がありますが、明るく青いものは、太陽の何十倍、何百倍の質量があります。 これは、ケンタウルス座の散開星団NGC3766で実証されています。 もし宇宙が無限なら、このような星団でも星と星の間に「隙間」ができることはないでしょう。 星の数密度が宇宙全体で一定なら、見つかる星の総数は星の密度に宇宙の体積を掛けたものと同じになります。 しかし、ある距離で見える星の総数は、球の表面積に関係していて、これは距離の2乗で増えていきます。 (球体の表面積の式は4πr2)星の数にそれぞれの星の明るさをかけると、定数になります。 ある距離の明るさは特定の値で、仮にBとします。2倍の距離の明るさもBです。 4倍？ 4回目もBです。
オルバースのパラドックスの図解で、宇宙の密度が均一だと、どの方向から見ても無限の星明かりに遭遇することになります。 B + B + B + B + ……という具合に。 これがどこに向かっているかわかりますか？ 答えは、残念ながら、無限大です。
19世紀、オルバースはこの推論をもとに、観測可能な宇宙は無限ではないはずだと結論づけましたが、確信には至りませんでした。 なにしろ、他の天文学的な懸念があったのですから。 よくある反論の一つは、この素朴な分析では、明らかに存在し、天の川の平面を見るだけでわかる光を遮る塵をすべて考慮に入れていない、というものでした。
天の川に見られるこのような暗くてほこりの多い分子雲は、時間とともに崩壊し、… 新しい星を生み出し、その中の最も密度の高い領域が最も重い星を形成します。 しかし、背後に多くの星があっても、星の光はダストを突き抜けることができず、吸収されてしまいます。
ESO
有限な宇宙では、ダストに当たった可視光は吸収されて低いエネルギーで再放射されるので、ダストは星の光と競合することができます。 しかし、もし宇宙が本当に無限なら、オルバースのパラドックスの問題が、そこにあるすべての塵の粒に現れるでしょう。それぞれの粒は、自分も吸収したすべての光と同じ温度で放射するようになるまで、無限の量の星の光を吸収しなければなりません。 私たちの宇宙が静的で、無限で、永遠に輝く星で満たされているわけがないのです。 もしそうなら、夜空は永遠に、あらゆる場所、あらゆる方向で明るく輝いているはずです。
観測可能な宇宙は、我々から見て全方向で460億光年かもしれませんが…その先には、我々のものと同じように、もっと多くの、おそらく無限の、観測できない宇宙が確実に存在するのです。 宇宙は無限かもしれないが、私たちが見ることができるのは、ビッグバンから138億年かけてやってきた光だけなのだ。 シーゲル
オルバースの時代には知る由もなかったことだが、我々を救う事実は、宇宙の広がりが無限ではないことではなく（今でも無限でありうる）、現在の形で、無限大の時間を遡ることはできないということである。 私たちが今住んでいる宇宙は、昨日がない日に始まりました。 その始まりはビッグバンとして知られており、観測可能な宇宙に存在しうるすべての物質、放射線、エネルギー、光のスタートラインが置かれています。 したがって、我々はそれらから有限の光、熱、エネルギーを受け取ることしかできず、我々の夜空に恣意的に大量の光が存在することはできない。
芸術家による対数スケールでの観測可能宇宙の概念。 銀河は大規模な…構造を与え、外周にはビッグバンの高温で高密度のプラズマがある。 ウィキペディアのユーザーであるパブロ・カルロス・ブダッシ氏（Pablo Carlos Budassi）
しかし、これはパズルの別の部分を浮かび上がらせているのです。 もし宇宙がビッグバンの主張するように、ある早い時期に高温高密度で物質と放射線に満ちていたのなら、その早い時期の放射線はいずれ私たちの目に入るはずです。
実際、現代の観測に基づいて、ビッグバンから残された光子が現在どれだけ宇宙に満ちているかを計算すると、1立方センチメートルの宇宙に対して411個という答えが返ってきます。 なぜ検出されないのかというと、答えは「検出されるから」であり、「常に検出されているから」なのです。 もしあなたが、ウサギの耳のようなアンテナを持つ旧式のテレビを、恒星や地上の電波源から離れた銀河系空間の奥深くに持って行き、チャンネル3に合わせることができたとしたら、どうでしょう。 それはビッグバンからの放射線です。
このビンテージスタイルのテレビの上には、テレビ信号を拾うための古いタイプのアンテナが付いています。 ここ地球では、「雪」の信号のごく一部、約1％がビッグバンからの放射によるものです。
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実際のところ、私たちはこのビッグバンからの光を受け取っており、それは避けられない形で空のいたるところに見出されているのです。 肉眼で見えないのは、宇宙の歴史の中で宇宙が膨張したため、かつては目に見えていたこの光が長い波長にシフトして、目には見えず、肌にも感じられず、体にも感知できないからです。 実際、この放射が最初に発見され、ビッグバンが最初に確認されたのは、巨大な電波アンテナを操作する科学者がいつ、どこを見ていても、この信号を拾ったからです。 もし私たちの目がマイクロ波や電波を見るように適応していたら、実際には、どの方向にも一様に明るく、どこにも暗い部分がない夜空を見ることになるでしょう。
ペンジアスとウイルソンの最初の観測によると、銀河面はいくつかの… 天体物理的な放射源を発していましたが（中央）、上と下ではほぼ完璧で均一な放射背景しか残っていなかった。 この放射の温度とスペクトルが測定され、ビッグバンの予言と驚くほど一致していることがわかりました。 もし私たちがマイクロ波を目で見ることができれば、夜空全体が図のような緑の楕円形に見えることでしょう。 1つ目は、宇宙は有限の時間しか存在しないため、現在観測可能な放射線の範囲と量が限られているということです。 もうひとつは、私たちが見ることのできる光は、電磁スペクトルの中の限られた部分、つまり光学的な部分だけであるということです。 そう考えると、夜空を探索するのが面白い場所だと思えたのは、人間の限界だけだったというのは、ちょっと皮肉な話です。 現在では、この放射線を精密に測定する人工衛星が作られ、私たちの限られた感覚だけではわからない、宇宙の起源や性質を教えてくれるようになりました。 夜空は暗く見えるかもしれませんが、いつもそこにある光は、この宇宙のパラドックスの究極の解答を教えてくれているのです
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