宇宙マイクロ波背景放射の発見

宇宙マイクロ波背景放射の発見は、現代の物理宇宙論における大きな進歩である。1964年、アメリカの物理学者アーノ・アラン・ペンジアスと電波天文学者ロバート・ウッドロー・ウィルソンは、ホルムデル・ホーン・アンテナを用いた実験で宇宙マイクロ波背景放射（CMB）を発見し、その温度を3.5 Kと推定した。^{[ 1 ] [ 2 ]}この新たな測定結果は、高温の初期宇宙（ビッグバン理論）の重要な証拠として、また、1950年頃の理論的研究[4]によって^{最も単純な}相対論的宇宙モデルとの整合性を保つためにCMBが必要であることが示されたことから、^ライバルの定常宇宙論に対する反証^{として受け入れられた}。1978年、ペンジアスとウィルソンは共同測定によりノーベル物理学賞を受賞した。 1941年にアンドリュー・マッケラーが、WSアダムスが観測したCN星吸収線を用いて、有効温度2.3Kで宇宙背景放射（CMB）の測定を行っていた。 ^{[ 5 ]}マッケラーはCMBについて言及していないが、ペンジアスとウィルソンの測定からずっと後になって^{[ 6 ]}、この以前の測定の重要性が理解された。

20世紀半ばまでに、宇宙論者たちは宇宙の創造を説明するために2つの異なる理論を発展させた。宇宙は常に存在し、目立った変化なく存続し続けるとする定常宇宙論を支持する者もいれば、数十億年前（後に約138億年前と判明）に宇宙は大規模な爆発のような出来事によって創造されたとするビッグバン理論を信じる者もいた。

1941年、アンドリュー・マッケラーは、 B型星のスペクトルにおけるCN吸収線のWSアダムスの分光観測を利用して、黒体背景温度を2.3Kと測定した。マッケラーは、宇宙論的解釈には触れずに、この検出を「星間分子の『回転』温度」と呼び、この温度は「おそらく限定的な意義を持つだろう」と述べた。^{[ 5 ]}

それから20年以上後の1964年、ニュージャージー州ホルムデルのクロフォード・ヒルにあるベル電話研究所の施設で、アーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンは、もともとエコー気球衛星から反射された電波を検出するために作られた、超高感度の6メートル（20フィート）ホーンアンテナの実験を行っていた。^{[ 2 ]}これらの微弱な電波を測定するために、彼らは受信機からの認識可能な干渉をすべて排除する必要があった。彼らはレーダーとラジオ放送の影響を取り除き、液体ヘリウムで受信機を絶対零度よりわずか4K高い-269 ℃（-452.20 °F）まで冷却することで、受信機自体の熱による干渉を抑制した。   

ペンジアスとウィルソンがデータを解析したところ、受信機に低周波で一定の、謎のノイズが持続していることがわかった。この残留ノイズは予想の100倍も強く、空全体に均一に広がり、昼夜を問わず存在していた。彼らは、波長7.35センチメートル（4,080MHz ）で検出されたこの放射線が、地球、太陽、あるいは銀河系から発せられたものではないと確信していた。機器を徹底的に点検し、アンテナに巣を作っていたハトを取り除き、溜まった糞を掃除した後も、ノイズは消えなかった。二人は、このノイズは銀河系の外から来ていると結論づけたが、それを説明できる電波源は見当たらなかった。 

同じ頃、わずか60km （37マイル）離れたプリンストン大学の天体物理学者、ロバート・H・ディッケ、ジム・ピーブルズ、デビッド・ウィルキンソンは、このスペクトル領域のマイクロ波放射の探索準備を進めていた。ディッケらは、ビッグバンは銀河に凝縮した物質を散乱させただけでなく、膨大な量の放射線も放出したに違いないと考えた。適切な観測機器を用いれば、この放射線は、大きな赤方偏移のためマイクロ波としてではあるが、検出できるはずだった。  

ペンジアスの友人であるMITの物理学教授バーナード・F・バークが、宇宙誕生時に宇宙を満たした爆発の残滓放射線を発見できる可能性についてジム・ピーブルズが書いたプレプリント論文を見たことをペンジアスに伝えたとき、ペンジアスとウィルソンは、自分たちが新たな発見だと考えていたものの重要性に気づき始めた。ペンジアスとウィルソンが検出した放射線の特性は、プリンストン大学のロバート・H・ディッケとその同僚が予測した放射線と完全に一致した。ペンジアスはプリンストン大学のディッケに電話をかけ、ディッケはすぐにまだ未発表のピーブルズの論文のコピーを彼に送った。ペンジアスは論文を読み、再びディッケに電話をかけ、ベル研究所にホーンアンテナを見て背景ノイズを聞くように彼を招待した。ディッケ、ピーブルズ、ウィルキンソン、PGロールはこの放射線をビッグバンの痕跡と解釈した。

潜在的な衝突を避けるため、彼らは結果を共同で発表することにした。2つの論文が急いで天体物理学ジャーナルレターズに送られた。最初の論文では、ディッケとその同僚は、ビッグバン理論の裏付けとして宇宙背景放射の重要性を概説した。^{[ 3 ]}ペンジアスとウィルソンが共同で署名した2番目の論文「4080メガサイクル毎秒での過剰アンテナ温度の測定」では、2.3 Kの空の吸収成分と0.9 Kの機器成分を考慮した後に残る3.5 Kの残留背景ノイズの存在を報告し、ディッケが同封の論文で示したのと同様の「考えられる説明」を帰属させた。^{[ 1 ]}

1978年、ペンジアスとウィルソンは共同での検出によりノーベル物理学賞を受賞した。彼らは無関係の研究で受賞したピョートル・カピツァと賞を分かち合った。 ^{[ 7 ]} 2019年には、ジム・ピーブルズも「物理宇宙論における理論的発見」によりノーベル物理学賞を受賞した。^{[ 8 ]}

• アーロンソン、スティーブ（1979年1月）。「創造の光：アーノ・A・ペンジアスとロバート・W・ウィルソンへのインタビュー」ベル研究所記録：12-18。
• アベル、ジョージ・O. (1982).宇宙探査。第4版。フィラデルフィア：サウンダーズ・カレッジ出版。ISBN 9780030585029。
• アシモフ、アイザック（1982）。アシモフの科学技術人名事典。第2版。ニューヨーク：ダブルデイ・アンド・カンパニー。
• バーンスタイン、ジェレミー（1984）。『零度より3度上：情報化時代のベル研究所』ニューヨーク：チャールズ・スクリブナーズ・サンズ。ISBN 978-0-684-18170-7。
• Brush, Stephen G. (1992年8月). 「宇宙論はいかにして科学になったか」. Scientific American . 267 (2): 62–70 . Bibcode : 1992SciAm.267b..62B . doi : 10.1038/scientificamerican0892-62 .
• チョウン、マーカス（1988年9月29日）。「3つの度数で表された宇宙の遺物」。ニュー・サイエンティスト。119 ：51-55。Bibcode：1988NewSc.119...51C。
• Crawford, AB; Hogg, DC; Hunt, LE (1961年7月)「プロジェクト・エコー：宇宙通信用ホーン反射アンテナ」ベルシステム技術ジャーナル40 : 1095–1099 . doi : 10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x .
• ディズニー、マイケル（1984）。隠された宇宙。ニューヨーク：マクミラン出版。ISBN 978-0-02-531670-6。
• フェリス、ティモシー（1978）。『レッド・リミット：宇宙の果てを探して』第2版。ニューヨーク：クイル・プレス。
• フリードマン、ハーバート（1975）。驚異の宇宙。ワシントンD.C.：ナショナルジオグラフィック協会。ISBN 978-0-87044-179-0。
• Hey, JS (1973). 『電波天文学の進化』ニューヨーク：Neale Watson Academic Publications, Inc. ISBN 978-0-88202-027-3。
• ジャストロウ、ロバート（1978）。神と天文学者たち。ニューヨーク：WWノートン＆カンパニー社。ISBN 978-0-393-01187-6。
• カービー＝スミス、HT（1976）。米国天文台：ディレクトリと旅行ガイド。ニューヨーク：ヴァン・ノストランド・ラインホールド社。ISBN 978-0-442-24451-4。
• ラーナー、リチャード（1981）。望遠鏡を通して見る天文学。ニューヨーク：ヴァン・ノストランド・ラインホールド社。ISBN 978-0-442-25839-9。

• 「天文学および天体物理学用ホーンアンテナ」。国立公園局、内務省。