宇宙は必ずしも広い場所ではなかった
銀河や今日観測される複雑な構造でいっぱいの膨張する宇宙は、より小さく、より熱く、より密で、より均一な状態から発生したのです。 しかし、その初期状態にも起源があり、宇宙インフレーションが、すべてがどこから来たのかの有力な候補である
C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
宇宙ほど、気が遠くなるほど大きいものは考えつかないものである。 私たちの観測可能な宇宙は、私たちが見ることのできる宇宙の最深部まで、四方八方に約460億光年も広がっているのです。 ビッグバンから現在に至るまで、宇宙は重力と同時に膨張し、宇宙空間に星や銀河が誕生している。
しかし、過去にさかのぼってみると、宇宙はもっと小さかっただけでなく、初期の段階では、驚くほど大きくはなかったことがわかります。
遠い宇宙は、天の川の平面を通して見ると、星と…銀河、そして不透明なガスと塵からなり、見渡す限り遡ります。
2ミクロン全天サーベイ（2MASS）
現在の宇宙を見ると、そのスケールの大きさを否定することはできません。 私たちの天の川銀河は、直径10万光年以上、約4000億個の星が集まっています。 太陽に最も近い恒星（プロキシマ・ケンタウリ）でも4.24光年と、40兆キロメートル以上離れているのです。 私たちの銀河系を超えると、宇宙はさらに狭くなり、銀河は宇宙の体積のごく一部にしか過ぎません。 宇宙の大部分には、私たちが知る限り、星も銀河もまったくありません。
宇宙は驚くべき場所であり、今日のようになったことは、感謝に値することです。 私たちの最も壮大な宇宙の写真は銀河に満ちていますが、宇宙の体積の大部分には物質も銀河も光もまったくありません。
NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI / AURA); J. Blakeslee
例えば私たちの地元グループには、もう 1 つ大きな銀河があります。 例えば、私たちの地元グループには、250万光年の距離にあるアンドロメダという大きな銀河があります。
そのほかにも、銀河は宇宙のいたるところにまとまって存在しており、大きな銀河団が銀河の点線で結ばれた宇宙の網のように広がっています。 宇宙がこのような姿になったのは、膨張と冷却だけでなく、重力も加わったからです。 最初は高密度の領域が優先的に物質を引き寄せ、私たちが見ているような構造を生み出しました。低密度の領域は高密度の領域に物質を渡し、宇宙の体積の大部分を占める大きな宇宙空洞となったのです。
宇宙の網と大規模構造の成長は、ここで…膨張自体をスケールアウトして示すと、時間が経つにつれて宇宙はよりクラスター化し、より不格好になることになります。 最初は小さな密度揺らぎが成長して、大きな空隙を隔てた宇宙の網を形成するが、最大の壁のような、超銀河団のような構造に見えるものは、結局は本当の結合構造ではないのかもしれない。 私たち自身を含むあらゆる観測者を中心に、どの方向にも 461 億光年も離れた物体が見えるのです。 これを全部足すと、4.1×1032立方光年という体積になります。 宇宙には2兆個の銀河がありますが、それぞれの銀河は平均して約2×1020立方光年の体積を持つことになります。
もし銀河がすべて宇宙全体に均等に配置されているとしたら、それは間違いなく不可能ですが、銀河の上に指を置いて、半径約600万光年の球を描いても、他の銀河には決してぶつからないでしょう。 宇宙の中で私たちがいる場所には、私たちが予想する平均的な銀河の密度の何百倍もの銀河が存在しているのです。 5242>
宇宙にある100万個以上の銀河の地図で、それぞれの点がその銀河です。 色は距離を表し、赤いほど遠くにあることを示しています。
Daniel Eisenstein and the SDSS-III collaboration
しかし、今日の宇宙がこれほど大きいのは、宇宙が膨張し、冷却されてここまで到達したからです。 現在でも宇宙は約70km/s/Mpcというとてつもない速度で膨張を続けています。 宇宙の最果て461億光年先で、私たちが観測できる宇宙の量は、1年ごとにさらに6.5光年ずつ増えています。
つまり、時間の反対方向に外挿すると、好きなだけ過去を振り返ると、若くて熱くて小さかったころの宇宙が見つかるのです。 現在、宇宙は全方位に460億光年広がっていますが、これはビッグバンから138億年経っているためで、我々の宇宙には様々な形の暗黒エネルギー、物質、放射線が混在しているのです。
宇宙がちょうど30億歳（現在の年齢の約20%）のときに戻ると、宇宙の半径は約90億光年（現在の体積のわずか0.7%）しかありませんでした。
ハッブル超…から観測できる宇宙で最も遠い銀河のいくつかを選びます。 ディープ・フィールド 宇宙を遠方から観測するとき、私たちは遠い昔の宇宙を見ているのです：小さく、高密度で、高温で、進化していない宇宙を。 Pirzkal (European Space Agency/STScI)
そして、宇宙がそれほど若かった頃の銀河や銀河団を見るために振り返っても問題はありません。ハッブル宇宙望遠鏡などは、それよりもずっと昔に私たちを連れて行ってくれたのです。 この頃の銀河は、宇宙が最大級の巨大構造を形成するのに十分な時間がなかったため、平均して小さく、青く、質量が小さく、進化していませんでした。
この初期の段階の宇宙は、全体として現在よりもずっと密度が高くなっています。 宇宙が膨張しても、物質粒子の数は時間とともに変わらない。つまり、年齢～30億年の宇宙は、年齢～138億年の現在の宇宙よりも約150倍密度が高いのだ。 1立方メートルあたり陽子1個分の質量ではなく、100個分近い質量があるのです。
宇宙で最初の星は、中性原子の（主に）水素ガスに囲まれ、星の光を吸収するようになります。 水素は宇宙を可視光、紫外線、近赤外線の大部分に対して不透明にしていますが、より長い波長の光はまだ観測可能で、近い将来の天文台で見ることができるかもしれません。 この時代の温度は3Kではなく、液体窒素を沸騰させるほど高温で、宇宙の密度は大規模平均で現在の数万倍でした。
Nicole Rager Fuller / National Science Foundation
宇宙がちょうど1億歳、現在の年齢の1％に満たない頃に戻ると、状況は劇的に変化し始めます。 ごく最近、最初の星が形成され始めましたが、銀河はまだ1つもありませんでした。 このときの宇宙の大きさは現在の約3％で、体積は現在の0.003％、密度は現在の4万倍ということになる。 宇宙マイクロ波背景放射は、現時点では液体窒素を沸騰させるのに十分な温度です。 私たちが見ている宇宙マイクロ波背景放射の光は、宇宙が38万年前の、つまり現在の10億倍以上の密度があったときに放射されたものです。 もし今日、私たちが住んでいるラニアケアという超巨大星団の周りに円を描くと、初期の高温高密度の時代に観測可能だった宇宙全体よりもずっと大きな容積を包むことになります。
非常に若い宇宙では、十分なエネルギーがあれば、粒子や光子だけでなく、反粒子や不安定な粒子も自然に生成され、原始粒子と反粒子のスープができあがるのだそうです。 しかし、このような条件があっても、特定の状態、つまり粒子はわずかしか出現せず、数秒が経過する頃には、宇宙は初期段階よりはるかに大きくなっている。
ブルックヘブン国立研究所
つまり、ビッグバンが最初に起きてから10年後、宇宙がおよそ10歳だった時代に戻れば、観測可能な宇宙全体（現在2兆個の銀河（およびそれ以上）を構成するすべての物質を含む）は天の川銀河より大きくはないだろうということだ。
つまり、ビッグバンからわずか1秒後、つまり初期宇宙の最後の反物質（陽電子）が消滅していた頃に戻ったとしても、観測可能な宇宙全体は直径100光年程度にしかならないのです。
そして、宇宙の非常に初期の段階、ビッグバンからおそらくピコ秒（10-12秒）しか経っていない頃、観測可能な宇宙全体は、地球の太陽の周りの軌道のサイズよりも大きくない球の中に収まることができたということを意味するのです。
宇宙の大きさを光年で表すと、ビッグバンから経過した時間よりも小さくなります。 ビッグバン これは対数スケールで表示され、わかりやすくするためにいくつかの重要なイベントが注釈されています。
E. シーゲル
あなたは、宇宙をずっと遡って特異点まで行けると思うかもしれません。つまり、温度と密度が無限の地点で、すべての質量とエネルギーが特異点に集中したところまでです。 しかし、それは我々の宇宙を正確に説明するものではないことが分かっています。
今日の宇宙マイクロ波背景放射の証拠から、ビッグバンの間に宇宙が到達した最高温度は、約5×1029K以下であったはずだと結論づけることができます。
青と赤の線は「伝統的な」ビッグバンシナリオを表し、ここではすべてが時間t=0で始まる…時空そのものも含めて。 しかし，インフレーションのシナリオ（黄色）では，空間が特異点に到達することはなく，その代わりに，時間は永遠に逆行し続けながら，過去において任意に小さくなることができるだけである． その代わり、時間は永遠に逆行し続け、インフレーションの終わりから、最後のほんの数秒だけが、現在観測可能な宇宙に刻み込まれるのです。
E. シーゲル
確かに、宇宙の観測できない部分の本当の大きさはわかりませんし、無限大かもしれません。 また、インフレーションがどれくらいの期間続いたのか、それ以前に何かあったとしたら、それは何なのかもわかりません。 しかし、高温のビッグバンが始まったとき、今日私たちが目にすることができる宇宙にあるすべての物質とエネルギーは、461億光年にわたって四方に広がっているものが、サッカーボールほどの大きさに凝縮されたはずだということは分かっています
少なくとも短期間は、今日私たちが見渡して観察している宇宙の広がりは、決して大きなものではなかったのです。 巨大な銀河を構成するすべての物質は、鉛筆の消しゴムよりも小さな空間に収まっていたはずです。 そして、138億年の膨張、冷却、引力を経て、現在の広大な宇宙の一角を占めるに至っているのです。 宇宙は私たちの知る限り最も大きな存在かもしれませんが、私たちが観測できる宇宙の大きさは最近の成果です。 宇宙は昔からそれほど大きくはなかったのです。その証拠は、私たち全員が見ることができるように宇宙に書き込まれているのです。