子供の頃、宇宙にロマンを感じ心躍らせた人は少なくないだろう。宇宙の実像は科学によって明らかにされてきている一方、謎もまだまだ残されている。この記事では、宇宙の始まりであるビッグバンから、我々の住む太陽系まで、宇宙について人類が明らかにしてきたことと残された謎を解説した本を見ていきたい。

◆ビッグバン～宇宙の誕生

　我々の住むこの宇宙は、138億年前のビッグバンによって誕生した。サイモン・シン・著『宇宙創成（上下）』（青木薫訳、新潮文庫）は、ビッグバン理論が確立するまでの科学者たちの奮闘を中心として、人類が宇宙をどのように理解してきたかを非常に読みやすく書いている。
　本書では、かつては信じられていたが現在では誤りとされている理論について、昔の人々は愚かだったと切り捨てるのではなく、その時点での観察事実や実験結果と照らし合わせることで、当時の人々の合理性に目を向けるようにしている。分かりやすいのは、地球中心説と太陽中心説の対比だろう。現在の我々は太陽中心説が正しいことを知っている。しかし、西暦1000年頃までの観測事実は、むしろ地球中心説の方がもっともらしいことを示唆していた。もし地球が動いているのならば、「なぜ我々がその運動を感知しないのか」を説明できないといけない。また、地球が動くのなら恒星の視差（天球上に見える恒星の位置が動くこと）が生じるはずだが、それは観測されていなかった。当時の太陽中心説はすべて円運動を仮定していたため、複雑な周転円を用いる地球中心説の方が惑星運動の予測能力は高かった。地動説の長所としてしばしば取り上げられる惑星の逆行も、周転円を用いれば地球中心説でも説明できた。太陽中心説が現在の地位を得るには、金星の満ち欠けや木星の衛星の発見など、ガリレオの望遠鏡の登場を待つ必要があった。
　宇宙の歴史は、かつては「静的に存在し続ける宇宙」と理解されていた。しかし、それはハッブルによる宇宙の膨張の発見によって否定された。それに代わるシナリオとして、ビッグバン宇宙論と定常宇宙論（宇宙は定常膨張しながら永遠に存在している）があった。「宇宙創造の瞬間があり宇宙は有限の歴史しか持たない」というビッグバン宇宙論はあまり直観的ではなく、また提案当初の観測データだと宇宙の年齢が地球の年齢よりも若いというおかしな結果が導かれていたため、ビッグバン宇宙論はあまり支持されていなかった。しかしその後、ビッグバン宇宙論特有の非自明な予言がいくつか提出された。その一つが、宇宙に存在する軽い元素（水素、ヘリウム）の比率が、ビッグバン宇宙論から計算できる、というものである。また、宇宙マイクロ波背景放射という、全天にわたって温度3Kのマイクロ波が存在するという予言もなされた。こうした予言が観測ときれいに一致したことにより、ビッグバン宇宙論は確固たる理論として受け入れられた。

◆ブラックホール～信じがたき存在

　一度吸い込まれたら光さえもそこから出ることは出来ないというブラックホール、この極めて特異な存在は、物理学を学んでいなくてもSFなどで耳にしたことはあるだろう。キップ・S・ソーン・著『ブラックホールと時空の歪み　アインシュタインのとんでもない遺産』（林一、塚原周信訳、白揚社）は、ブラックホールの物理とその解明の歴史について、詳しく解説している良書である。著者のキップ・ソーンは、重力波観測でノーベル物理学賞を受賞する一方、映画「インターステラー」の監修を務めるなど一般向けの科学のアウトリーチも熱心に行う物理学者である。
　ブラックホールは、一度入ったら二度と出ることが出来ず、その内部では重力が他のあらゆる力を凌駕するため、すべてのものが一点に向かって爆縮する。こうした凄まじい性質をもつ存在であるブラックホールは、アインシュタインの一般相対性理論の方程式を解くことで導かれるものである。ところが、このようなブラックホールの存在はあまりにも反直観的な存在であったため、一般相対性理論を生み出した当のアインシュタインは、ブラックホールの存在を否認した。むしろ、「ブラックホールは存在してはならない」ということを暗黙の前提として、一般相対論から新しい予言を導き出そうとした。ただしこれはアインシュタインに限った話ではなく、同時代のほとんどの物理学者も、ブラックホールは「存在してはならないもの」だと考えていた。
　実際、ブラックホールの発生を阻みそうな性質の候補はいくつもあった。例えば、電子の量子力学的な効果は「縮退圧」と呼ばれる力を生み出し、それが重力と拮抗して爆縮を防ごうとする。星の核融合反応が止まった後、この両者が拮抗しているのが「白色矮星」である。また同様の効果は中性子も持っており、星の核融合反応停止後、中性子の縮退圧が重力と拮抗している星は「中性子星」と呼ばれる。しかし、十分に重たい星の場合には、こうしたメカニズムをすべて凌駕して、星はブラックホールになってしまうのである。
　対称性が高く解が計算出来るきれいな宇宙[1]のアインシュタイン方程式を解くと、時空特異点を伴うブラックホール解が得られる。時空特異点とは、その時刻より先で何が起きるのか、物理法則（アインシュタイン方程式）では一切予言が出来なくなる点のことである。つまり、物理法則に従って解を求めると、それ以上物理法則が成り立たなくなる点が得られてしまうのである。特殊な設定の数学的な計算の中でならばともかく、現実の物理現象においてこのような特異点が現れるのはあまりに奇妙なので、当初は「時空特異点が現れたのは対称性が非常に高かったせいであり、現実的な（対称性の低い）宇宙の状況では時空特異点は生じないだろう」と考えられていた。ところが、実は一般的な宇宙の初期設定の下でも、宇宙は必ず時空特異点を生み出してしまうことが数学的に証明されてしまった[2]。時空特異点は、一般相対性理論に従う限り避けがたい存在なのである。なお、ほとんどの場合に時空特異点はブラックホールの中にあるので、ブラックホールの外側にいる我々には影響は及ばないが、ブラックホールの外に時空特異点が出来てしまう可能性[3]も本書では論じられている。

　ブラックホールは宇宙の様々な場所に存在するが、特に銀河の中心には巨大ブラックホールが存在すると考えられている。本間希樹ほんままれき・著『巨大ブラックホールの謎　宇宙最大の「時空の穴」に迫る』（ブルーバックス）は、そうした巨大ブラックホールの科学を平易に解説した本である。著者は、2019年に世間を騒がせた「ブラックホールの直接観測」のプロジェクト[4]の日本チームの代表でもある。本書はその観測前に出版されたものだが、本書最後にはブラックホール直接観測のしくみが解説されるとともに、直接観測が目前に迫っていることも書かれている。
　ブラックホールは光さえ吸い込むものだが、実は同時にブラックホールは「宇宙で一番明るい天体」でもある。一見矛盾しているように見えるが、実はそうではない。ブラックホールの周りにはブラックホールに落下中の物体が多数存在し、それが降着円盤と呼ばれるガスを形成する。物体がブラックホールに落下する際にはエネルギーの一部が光となって出ていくが、ブラックホール落下時に物体が獲得する重力の位置エネルギーは非常に大きいため、放出される光も莫大な量であり、そのためブラックホールの周りの降着円盤は非常に明るいのである。ブラックホールの直接撮影でも、降着円盤の明るさと、光を吸い込むブラックホールの黒い部分を対比させる方法を用いている。

◆銀河から星まで～宇宙スケールの話

　星や銀河、太陽系などについて学びたいなら、ジャイルズ・スパロウ・著『ビジュアル 大宇宙（上）宇宙の見方を変えた53の発見』『同（下）太陽系の謎に挑んだ47の発見』（渡部潤一わたなべじゅんいち・日本語版監修、ナショナルジオグラフィック）がよい本である。全編フルカラー写真を用いて視覚的に実態を教えてくれるので、眺めるだけでも十分楽しめる。上巻は星の一生から銀河の構造までを、下巻は太陽系の惑星たちの素顔を、それぞれ解説してくれている。
　鳴沢真也なるさわしんや・著『へんな星たち　天体物理学が挑んだ10の恒星』（ブルーバックス）は、普通とは異なる星たちを解説した本である。例えば、くじら座のミラは膨らんだり縮んだりを繰り返しており、1年で明るさが250倍も変化したことのある変光星である。それだけでなく、長さが10光年にも及ぶ長いガスのしっぽを伴っている点も、ミラの変わった特徴の一つである。またりゅうこつ座イータ星は、17世紀には4等星だったが、19世紀には全天で二番目の明るさ（シリウスの次）になった。にもかかわらず、20世紀には再び暗くなり、今は6等星にまで落ち込んでいる。他にも、ひょうたんの形をしたケフェウス座VW星、傾く二重円盤を持つプレオネといった奇妙な形の星や、通常の星の一生の基準で見ると突然若返りをしたように見えるかんむり座R星など、様々な観点から見た「面白い星」が取り上げられている。
　一風変わった視点から宇宙を知りたいなら、フィリップ・プレイト・著『宇宙そらから恐怖がやってくる！　地球滅亡9つのシナリオ』（斉藤隆央さいとうたかお訳、NHK出版）ほど変わり種の本はないだろう。タイトルを見る限りオカルトかSFの本にしか見えないだろうが、中身は「ありうる地球滅亡」という切り口から見た、真面目な宇宙物理学、天文学の本である。例えば「超新星爆発が地球の近くで起こると、オゾン層が破壊されて大量絶滅が起こる」ということを切り口に、超新星爆発に至るまでの星の一生や超新星爆発のメカニズム、そして地球に近い星で超新星爆発が生じうる星として何があるか（実はシリウスは候補だが、幸いにもシリウスの超新星爆発はだいぶ先だと考えられている）、といった話が続く。他にも、巨大太陽フレア、ガンマ線バースト、銀河衝突などによる人類滅亡を話の枕に、太陽の性質、重力崩壊、銀河の構造などの話題を解説していく。
　もちろん地球滅亡に関するトピックスはより詳しく取り上げられている。2029年4月13日に地球をかすめると予測されている小惑星アポフィス（現時点の研究結果によると地球への衝突はないと考えられている）は、その後も何度も地球のそばをかすめるという。こうした小惑星が万一地球に衝突する場合、どういう手が打てるのかも検討している。もっと際どい話もある。太陽系は円盤状の天の川銀河の中を、およそ数千万年周期で上下に振動している。一方、化石記録から生命の種数の変化を調べたところ、周期的に種数の増減が生じており、その周期はなんと太陽系の上下振動周期に非常に近かったという。これは果たして偶然なのか、本書では特に答えは与えられていない[5]。

◆太陽系～身近だが意外と謎多き世界

　太陽系のことを知りたいならば、渡部潤一、渡部好恵わたなべよしえ・著『最新　惑星入門』（朝日新書）が、短い中に惑星の形成過程から各惑星や月の特徴、さらには太陽系の縁まで記述した、充実した入門書である。
　もともと銀河を漂う塵やガスが集まってその中から太陽が形成され、残った塵が集まっていくことで惑星が形成された。しかし、今のような太陽系の姿になったことには、様々な偶然も働いている。例えば、太陽以外の恒星においては、木星ほどの大きさの惑星が水星よりも恒星に近い場所を回っていることがある。これは、もともと木星ほどの位置で大きくなった惑星が、恒星の引力で恒星のすぐそばまで引き付けられたことで生まれたものである。では、太陽系ではなぜこうならなかったのだろうか。確定した説はないが、本書では土星の存在が木星を引き留めたためという説が紹介されている。これが正しいとすると、もし土星がいなければ、地球も木星に飲み込まれるか弾き飛ばされてしまったことになる。
　また、太陽から遠いほど塵の運動速度は遅く、そのため塵が集まって惑星を形成するのにも時間がかかる。惑星形成にかかる時間を計算すると、海王星の位置で海王星の大きさの惑星が形成されるのには、現在に至るまでの時間では足りない、という結果が得られてしまう。この問題については、海王星は実は木星や土星のあたりで形成され、数億年かけて現在の位置まで移動したという説が紹介されている。さらに、海王星よりさらに外側では、惑星を作るのには時間が足りないまま途中で終わってしまった星たちが存在する。冥王星はその代表例であり、そのため冥王星とその他の惑星では、星の形成過程がいささか異なるのだとしている。
　個々の惑星の性質もなかなか面白い。自転が逆向きの金星、高さ2万7000mの火山がある火星、内部でヘリウムの雨が降る土星、自転軸が横倒しになっている天王星（しかし磁軸は公転面に対し垂直に近い）、などなど。衛星の話も、月の内部にはウランが大量にありその活動によってラドンのガスが時々噴き出す、土星の衛星ヒペリオンは表面がスポンジのようにでこぼこしていて形も歪んでいる、など話題に尽きない。また話は惑星にとどまらず、太陽から1～10兆kmも離れたところにある、彗星の故郷である「オールトの雲[6]」などにまで及んでいる。

　太陽は太陽系の中心にいるが、高温すぎるがゆえに直接調べるには難しい事柄も多く、そのため身近であるにもかかわらず謎も少なくない。鈴木建すずきたける・著『高校生からの天文学　驚異の太陽　太陽風やフレアはどのように起きるのか』（日本評論社）は、磁場とガスの相互作用を軸として、物理学的視点から太陽のしくみを教えてくれる本である。電磁気学を軸にした解説なので、高校生でこれを理解するのはやや大変だと思うが、お話にとどめずに原理から理解させようという強い意気込みが感じられる。
　太陽を理解するための重要な要素は二つ、荷電粒子の集まりであるプラズマガスと磁力線である。太陽の中心近くの高温領域では、エネルギーは光によりまっすぐ放射的に伝わる。外側に近づくと温度が下がり、エネルギーはガスの対流によって運ばれる。このガスは荷電粒子から出来ているので、対流で動くことで電流が生じ、磁場が作られる。磁場が作る磁力線は、荷電粒子をその周りに閉じ込める効果を持っている。
　多くの磁力線は太陽から出てまた太陽に戻ってくる、閉じたループをなしている。しかし、一部の磁力線は太陽から出てそのまま太陽の外へとつながっている。これはコロナホールと呼ばれる領域で、ガスはここから宇宙空間へと飛び出していく。これが太陽風の主要メカニズムである。また、磁場が強いと、ガスはあまり動くことが出来ず、そのため磁場が強い領域では温度が周りより下がってしまう。太陽黒点は、この「磁場が強いために温度が下がった場所」である。
　磁場のエネルギーとガスのエネルギーは互いにやり取り可能であり、両者は複雑に相互作用する。互いに逆向きの磁力線があると、磁力線のつなぎ変えが生じ、その際に周りのガスにエネルギーが渡されてガスが吹き飛ばされる。これが太陽フレアの原因ではないかと考えられている。

　月は興味深い科学的研究の対象だが、同時に宇宙において人類が開発や移住などを行うならばその第一候補に挙がる星でもある。佐伯和人さいきかずと・著『月はすごい──資源・開発・移住』（中公新書）は、月の開発や移住を現実的な目標と捉えたうえで、そのための課題として何があるのかを考える本である。
　月は、空気がない、寒暖差が激しい、といった側面以外にも、さまざまな過酷な面がある。地球に落下する小さな隕石のほとんどは、大気の摩擦によって大気中で燃え尽きて、地表には届かない。ところが月には大気がないため、小さな隕石でも途中で燃え尽きることがなく、そのまま地表に激突し、大変危険である。また月の重力は弱いため、重機（地球からの運搬を考えると軽い方がいい）で地面を掘削しようと思っても、踏ん張れずにむしろ重機の方が浮き上がってしまう可能性がある。さらに月の夜は2週間続き、極寒の状況で電子機器を置いたままにすると壊れてしまう。太陽光発電は夜間は働かないので、原子力電池が有力な手段だが、日本では政治社会的理由でこの選択肢が使えず、大きなハンデキャップを負っているという。
　月にはさまざまな困難がある一方で、月の環境を活かし、地球ではできないようなことを実現しようという考えもある。月の永久影（太陽光が常に当たらない場所）は温度がマイナス190度を下回るので、超伝導状態が容易に実現する。これは蓄電施設としてはもちろん、核融合炉や量子コンピュータの計算施設としても利用可能性があるのではと述べている。

[1] ある点に対して点対称かつ物質が運動せず、電荷などもないような設定。

[2] ロジャー・ペンローズはこの業績で2020年にノーベル物理学賞を受賞している。

[3] このような「ブラックホールで隠されていない特異点」のことを「裸の特異点」という。「すべての特異点はブラックホールに隠されており、裸の特異点は存在しない」という「宇宙検閲官仮説（本書では宇宙検閲憶説）」というものが提案されていたが、それが成り立たない可能性についても本書で紹介されている。

[4] 「イベント・ホライズン・テレスコープ」のこと。

[5] 次の論文が紹介されている。Mikhail V. Medvedev and Adrian L. Melott, “Do Extragalactic Cosmic Rays Induce Cycles in Fossil Diversity?” The Astrophysical Journal, 664, 879 (2007)

[6] オールトは、多くの彗星の遠日点（軌道上の、太陽からもっとも遠ざかる点と太陽との距離）が1～10兆kmほどの距離に集中していることから、この位置に彗星の源となる氷の粒が大量に存在していると考えた。これが「オールトの雲」と呼ばれるものである。