観測可能な宇宙

観測可能な宇宙とは、地球から観測可能なすべての物質からなる宇宙の球状領域のことです。これらの天体からの電磁波は、宇宙膨張の開始以来、太陽系や地球に到達する時間がありました。この領域の半径は約14.26ギガパーセク（ 465億光年、または4.40 × 10²⁶^メートル）です。 

この文脈における「観測可能」という言葉は、現代の技術が物体から発せられる光やその他の情報を検出する能力、あるいは検出すべきものが存在するかどうかを指すものではありません。それは、光速そのものによって生じる物理的な限界を指します。いかなる信号も光速より速く伝わることはできず、宇宙は約140億年しか存在していません。光を発するものの、その光が地球に届くには遠すぎる物体は、粒子地平線の彼方、つまり観測可能な宇宙の外にあります。宇宙のあらゆる場所には、それぞれ独自の観測可能な宇宙が存在し、それは地球を中心とした宇宙と重なる場合もあれば、重ならない場合もあります。

計算によると、宇宙マイクロ波背景放射（CMBR）が放出された粒子までの現在の共動距離（可視宇宙の半径に相当）は約140億パーセク（約457億光年）である。観測可能な宇宙の端までの共動距離は約143億パーセク（約466億光年）であり、^{[ 7 ]}約2%大きい。したがって、観測可能な宇宙の半径は約465億光年と推定される。^{[ 8 ] [ 9 ]}臨界密度と観測可能な宇宙の直径を用いると、宇宙における通常の物質の総質量は約1.5 × 10 ⁵³  kg。^{[ 10 ]} 2018年11月、天文学者たちは銀河系外背景光（EBL）が4 × 10 ⁸⁴フォトン。^{[ 11 ] [ 12 ]}

As the universe's expansion is accelerating, all currently observable objects, outside the local supercluster, will eventually appear to freeze in time, while emitting progressively redder and fainter light. For instance, objects with the current redshiftz from 5 to 10 will only be observable up to an age of 4–6 billion years. In addition, light emitted by objects currently situated beyond a certain comoving distance (currently about 19 gigaparsecs (62 Gly)) will never reach Earth.^[13]

The universe's size is unknown, and it may be infinite in extent.^[14] Some parts of the universe are too far away for the light emitted since the Big Bang to have had enough time to reach Earth or space-based instruments, and therefore lie outside the observable universe. In the future, light from distant galaxies will have had more time to travel, so one might expect that additional regions will become observable. Regions distant from observers (such as us) are expanding away faster than the speed of light, at rates estimated by Hubble's law.^{[note 1]} The expansion rate appears to be accelerating, which dark energy was proposed to explain.

Assuming dark energy remains constant (an unchanging cosmological constant) so that the expansion rate of the universe continues to accelerate, there is a "future visibility limit" beyond which objects will never enter the observable universe at any time in the future because light emitted by objects outside that limit could never reach the Earth. Note that, because the Hubble parameter is decreasing with time, there can be cases where a galaxy that is receding from Earth only slightly faster than light emits a signal that eventually reaches Earth.^[9][15] This future visibility limit is calculated at a comoving distance of 19 billion parsecs (62 billion light-years), assuming the universe will keep expanding forever, which implies the number of galaxies that can ever be theoretically observed in the infinite future is only larger than the number currently observable by a factor of 2.36 (ignoring redshift effects).^{[note 2]}

原理的には、将来はより多くの銀河が観測可能になるだろう。実際には、進行中の膨張により、ますます多くの銀河が極端に赤方偏移し、視界から消えて見えなくなるだろう。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}特定の共動距離にある銀河は、その歴史上のどの時代にもその銀河から発信された信号、例えばビッグバンからわずか5億年後の銀河から発信された信号を受信できる場合、「観測可能な宇宙」内にあると定義される。宇宙の膨張のため、同じ銀河から発信された信号が無限の未来のどの時点でも地球に到達できないような、さらに後の時代が存在する可能性がある。そのため、例えば、ビッグバンから100億年後の銀河がどのような姿だったかを見ることは決してないかもしれない^{[ 13 ]。}たとえその銀河が観測可能な宇宙よりも小さい同じ共動距離に留まっているとしても。

これは、地球からの距離が時間とともに変化するタイプの宇宙事象の地平線を定義するために使用できます。たとえば、この地平線までの現在の距離は約 160 億光年です。つまり、現在発生している事象からの信号は、その事象が 160 億光年以内であれば最終的に地球に到達できますが、それより遠い場合は信号が地球に到達することはありません。^{[ 9 ]}

この宇宙事象の地平線の手前の空間は「到達可能な宇宙」と呼ぶことができ、それは今日光速で出発すれば到達できる銀河よりも近いすべての銀河であり、それより遠いすべての銀河は到達不可能である。^{[ 19 ] [ 20 ]}簡単な観測で、将来の可視限界（620億光年）は、現在の可視限界（460億光年）に、到達可能な限界（160億光年）を加えたものと正確に等しいことがわかる。^{[ 21 ] [ 7 ]}

宇宙論の専門的な研究論文では、「宇宙」と「観測可能な宇宙」という用語を区別しているが、^{[ 22 ]}地球から因果的に切り離された宇宙のどの部分についても直接観測によって何かを知ることは決してできないが、 ^{[ 21 ] [ 23 ]}多くの信頼できる理論では、観測可能な宇宙よりもはるかに大きな全宇宙が必要であるとされている。^{[ 24 ]}観測可能な宇宙の境界が宇宙全体の境界を構成していることを示唆する証拠は存在せず、主流の宇宙論モデルのいずれも、そもそも宇宙に物理的な境界があるとは提案していない。しかし、いくつかのモデルでは、有限だが境界がない可能性があると提案している。^{[注3 ]}面積は有限だが端がない球の2次元表面の高次元版のようなものだ。

観測可能な宇宙内の銀河は、宇宙全体の銀河のごくわずかな割合しか表していない可能性がある。アラン・グースとD・カザナスによって最初に提唱された宇宙インフレーション理論^{[ 25 ]}によれば、インフレーションがビッグバンから約^10⁻³⁷秒後に始まり、インフレーション前の宇宙の大きさが光速と年齢の積にほぼ等しいと仮定すると、現在の宇宙全体の大きさは少なくとも1.5 × 10 ³⁴光年 — これは少なくとも観測可能な宇宙の半径の3 × 10 ^{23倍。 [ 26 ]}

宇宙が有限だが無限である場合、観測可能な宇宙よりも小さい宇宙である可能性もある。この場合、非常に遠い銀河だと考えているものは、実際には宇宙を一周した光によって形成された近くの銀河の複製像である可能性がある。銀河の異なる画像はその歴史の異なる時代を示し、結果としてかなり異なって見える可能性があるため、この仮説を実験的に検証することは難しい。Bielewicz ら^{[ 27 ]}は、最後の散乱面の直径の下限を 27.9 ギガパーセク (910 億光年) と定めたと主張している。この値は、WMAP 7 年間のデータに対するマッチング サークル解析に基づいている。このアプローチは議論されている。^{[ 28 ]}

地球から観測可能な宇宙の端までの共動距離は、どの方向でも約 14.26 ギガパーセク (465 億光年または 4.40 × 10 26 m) です。[ 30 ] : 2観測可能な宇宙は^、直径^{約28.5ギガパーセク[ 31} ] (930 億光年または 8.8 × 10 26 m) の球体です^{。 [ 32} ]空間がほぼ^平坦である^{と仮定する}と(ユークリッド空間という意味で)、このサイズは共動体積に相当します。  1.22 × 10 ⁴  Gpc ³ (4.22 × 10 ⁵  Gly ³または3.57 × 10 ⁸⁰  m ³ ) ^{[ 33 ]}

これらは（宇宙論的時間スケールでの）現在の距離であり、光が放出された時点の距離ではありません。例えば、私たちが今見ている宇宙マイクロ波背景放射は、光子分離の時に放出されたもので、それは約 1000 年前に起こったと推定されています。ビッグバンから38万年後、 ^{[ 34 ] [ 35 ]}約138億年前に起こったこの放射線は、その間に主に銀河に凝縮した物質から放出され、それらの銀河は現在、地球から約460億光年離れていると計算されています。^{[ 7 ] [ 9 ]}光が放出された時点でその物質までの距離を推定するために、まず、膨張する宇宙をモデル化するために使用されるフリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー計量によれば、 zの赤方偏移で光を受け取ると、光が最初に放出された時点でのスケールファクターは次のように与えられることに注意することができます。 ^{[ 36 ] [ 37 ]}

${\displaystyle a(t)={\frac {1}{1+z}}}$。

WMAP nine-year results combined with other measurements give the redshift of photon decoupling as z = 1091.64±0.47,^[38] which implies that the scale factor at the time of photon decoupling would be 1⁄1092.64. So if the matter that originally emitted the oldest CMBR photons has a present distance of 46 billion light-years, then the distance would have been only about 42 million light-years at the time of decoupling.

The light-travel distance to the edge of the observable universe is the age of the universe times the speed of light, 13.8 billion light years. This is the distance that a photon emitted shortly after the Big Bang, such as one from the cosmic microwave background, has traveled to reach observers on Earth. Because spacetime is curved, corresponding to the expansion of space, this distance does not correspond to the true distance at any moment in time.^[39]

宇宙の大規模構造とは、宇宙論において、観測可能な宇宙全体のスケールでの物質分布の特性を 表す用語である。電磁放射のさまざまな波長帯（特に21cm放射）のスカイサーベイとマッピングにより、宇宙の構造の内容と特性に関する多くの情報が得られている。構造の組織は、超銀河団やフィラメントのスケールまで組織化された階層モデルに従っているように見える。これより大きいスケール（30～200メガパーセクのスケール）では、^{[ 58 ]}連続した構造は存在しないようで、この現象は「偉大さの終わり」と呼ばれている。^{[ 59 ]}大規模構造の形状は、物質パワースペクトルによって要約できる。

これまでに特定された最も遠い天体は、赤方偏移が 14.44 のMoM-z14に分類される銀河です。 ^{[ 60 ]} 2009 年に、ガンマ線バーストGRB 090423 の赤方偏移が 8.2 であることが判明しました。これは、このバーストを引き起こした崩壊星が宇宙誕生からわずか 6億3000 万年しか経っていないときに爆発したことを示しています。^{[ 61 ]}このバーストは約 130 億年前に発生したため、^{[ 62 ]}メディアでは約 130 億光年という距離が広く引用され、時にはより正確な数値である 130 億 3500 万光年とされることもありました。^{[ 61 ]}

これは、ハッブルの法則と観測可能な宇宙の大きさを定義する際に使用される「固有距離」ではなく、「光の移動距離」 （宇宙論における距離測定を参照）です。宇宙論学者のネッド・ライトはこの測定方法の使用に反対しています。^{[ 63 ]}赤方偏移が8.2の場合の固有距離は約9.2 Gpc ^{[ 64 ]}、つまり約300億光年になります。

宇宙における観測の限界は、宇宙論的地平線によって定められます。これらの地平線は、様々な物理的制約に基づいて、宇宙における様々な事象に関する情報が得られる範囲を制限します。最も有名な地平線は粒子地平線であり、宇宙の有限な年齢のために観測可能な正確な距離に限界を設けます。その他の地平線は、空間の膨張により粒子地平線よりも大きくなる可能性のある将来の観測範囲、最後の散乱面における「光学的地平線」 、およびニュートリノと重力波の最後の散乱面に関連する地平線と関連付けられています。

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• 構造形成の「ミレニアムシミュレーション」 – マックス・プランク天体物理学研究所（ドイツ、ガルヒング）
• NASAの今日の天体写真：スローン・グレートウォール：既知の構造物の中で最大か？（2007年11月7日）
• ハッブル宇宙望遠鏡、VLT、スピッツァー宇宙望遠鏡が捉えた、若い宇宙における形成中の銀河
• 宇宙の光の地平線のアニメーション
• 宇宙の対数地図
• 2dF銀河赤方偏移サーベイの出版物一覧
• 140億光年以内の宇宙 – NASA宇宙アトラス– 注意：この地図は、観測可能な宇宙における超銀河団の予想される分布を大まかに示した宇宙論的な推定値にすぎません。10億光年を超える距離については、実際のマッピングはほとんど行われていません。
• 動画：アメリカ自然史博物館提供「既知の宇宙」
• NASA/IPAC銀河系外データベース
• irfu.cea.fr の局所宇宙の宇宙論(17:35) ( arXiv )
• 宇宙に関する知識の限界–フォーブス、2019年5月