から離れるほどその光が赤方偏移しているように見えるのです。 宇宙の膨張とともに移動する銀河は、そこから発せられた光が私たちに到達するまでにかかった年数（光速の倍数）よりもさらに大きな光年を、今日、遠くにいることになる。 しかし、赤方偏移や青方偏移は、運動（特殊相対性理論）と宇宙空間の膨張（一般相対性理論）の両方による効果が組み合わさって初めて理解できるものなのです。 RASCカルガリーセンターのラリー・マクニッシュ氏
遠い宇宙を見渡すと、何百万、何十億、あるいは何百億光年も離れた銀河に出会うことがあります。 平均して、銀河が遠ければ遠いほど、遠ざかる速度は速くなります。 これは、銀河の中に存在する星の色や、銀河そのものが持つ輝線や吸収線を見たときにわかります。 このような現象が実際に見られるということは、相対性理論や物理学、宇宙について知っているつもりになっていたことすべてに疑問を抱かせるかもしれない。 しかし、あなたが見ているものは本物であり、赤方偏移は嘘ではありません。 6273>
相対性理論という考え方は、ほとんどの人が理解しているつもりでいますが、アインシュタインの理論は誤解されやすいので、注意が必要です。 たしかに、宇宙の物体には究極の速度があります。真空中の光の速度 c、つまり 299,792,458 m/sです。 質量がゼロの粒子だけがその速度で動くことができ、実際の正の質量を持つものは光速より遅くしか動くことができません。
しかし、光速によって制限されているという話をするとき、私たちのほとんどが気づいていない暗黙の前提があります。
現在自分が占めている時空座標に対して起こる特殊相対運動に加えて、一般相対性理論で考え始めたときに初めて現れる効果、時空自体の湾曲と進化がある
特殊相対性理論は曲がっていない静止した空間でのみ起こるのに対し、実際の宇宙には物質とエネルギーが存在している。 物質やエネルギーがあるということは、時空の中の物体は静的で不変なものではなく、時空の構造そのものが進化するにつれて、その空間的位置が時間とともに進化していくことを意味します。 星やブラックホールなどの大きな質量の近くにいると、空間は湾曲し、その質量に向かって加速度を経験することになる。 空間は流れる川や動く歩道のように振る舞い、すべての物体を引きずりながら流れます。
シュヴァルツシルト・ブラックホールでは、空間は動く歩道か滝のように流れ、それをどのように視覚化するかによって決まる。 事象の地平線では、光速で走っても（泳いでも）、時空の流れには勝てず、中心の特異点へと引きずり込まれてしまいます。 しかし、事象の地平線の外側では、他の力（電磁気学など）が重力の引力にしばしば打ち勝つことができるため、下降する物質さえも脱出させることができるのです。 Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado
宇宙がほぼ一様に物質で満たされている場合、特に最大のスケールでは、時空が受ける変化が観測可能な宇宙全体のスケールに適用されます。 具体的には、均質（すべての場所で同じ）かつ等方的（すべての方向で同じ）に満たされた宇宙は、静止していることはできず、膨張するか収縮するかのどちらかでなければならない。 その5年後、全く独立してジョルジュ・ルメートルが同じ解を導き出し、すぐにアインシュタイン本人に送った。 それを受け取ったアインシュタインは、この研究に何の欠陥も見出せなかったが、その結論は受け入れられなかった。「君の計算は正しいが、君の物理学は忌まわしい」と言ったのは有名な話だ。 しかし、彼の物理学は忌まわしいものではなく、宇宙を解き明かす鍵だったのです。
という膨張率をめぐる宇宙の難問も同じように解決できます。 変光星にはさまざまな種類がありますが、そのうちのひとつであるケフェウス座変光星は、我々の銀河系内だけでなく、5000万〜6000万光年離れた銀河でも測定することができます。 このため、我々の銀河系からさらに遠い宇宙の銀河までの距離を推定することができる。 また、ケフェイドの代わりに、AGBの先端にある星や、こと座RR星の変光星など、他の種類の星を使っても同様の結果が得られ、膨張率をめぐる宇宙の難問も同じように解決できます。 NASA、ESA、およびハッブル宇宙望遠鏡遺産チーム
ちょうど同じ頃、1910年代と1920年代に、天文学者は暗く遠い天体について2つの重要な測定を行う技術力を得たところでした。
1920年代末に科学者が行い始めた、両方の観測を組み合わせることによって、明確なパターンが浮かび上がってきました。 これはあくまでも一般的な傾向で、個々の銀河はこの全体的な傾向の上にさらに赤方偏移や青方偏移を重ねているように見えますが、一般的な傾向は明らかでした。
具体的には、「余分に」現れる赤方偏移や青方偏移は常に距離と無関係で、秒速数十kmから数百km、あるいはそれ以上の速度に対応するのです。 しかし、近い銀河の2倍の距離にある銀河を見ると、平均赤方偏移は近い銀河の2倍になっています。 10倍の距離では、赤方偏移は10倍になります。 そしてこの傾向は、数百万から数千万、数億、数十億光年先まで、我々が見ようとする限り続く。
宇宙の膨張、その後のより詳細な、しかし不確実な観測が続く。 ハッブルのグラフは、赤方偏移と距離の関係を、彼の先達や競争相手よりも優れたデータで明確に示している。 なお、距離が離れていても特異な速度は常に存在する。 ロバート・P・カシュナー（右）、エドウィン・ハッブル（左）
ご覧のように、この関係（測定した赤方偏移と距離の関係）は、とんでもない距離まで続いているという傾向が見られます。 赤方偏移と距離の関係は、何世代にもわたってハッブルの法則（最近ではハッブル・ルメートルの法則に改訂）として知られていますが、ハッブルが発表する前にルメートルとハワード・ロバートソンの両名が独自に発見し、天文学で発見された最も強固な経験的関係の1つです。
それぞれの天体に固有の余分の赤方偏移と青方偏移も含め、このトレンドの標準的解釈としては、すべての天体の赤方偏移や青方偏移に二つの部分があることです。
- 宇宙全体の膨張に起因する成分、赤方偏移-距離関係は、特に遠距離での赤方偏移の大部分を担っている。
- 宇宙を通過する個々の銀河の運動に起因する成分は、主な傾向線の上にある「余分な」摂動を説明し、膨張する空間の構造に対する特殊相対論的な運動に起因します。
特殊相対論運動は理解しやすい。動くアイスクリームトラックが耳に届く音の波長に変化をもたらすのと同じように、光の波長に変化をもたらすのです。 アイスクリームトラックがあなたに向かって移動すると、その音波は圧縮されて高い音であなたに届きますが、これは光のブルーシフトに似ています。
しかし、空間の膨張は、特に大きなスケールで、より重要な役割を果たしているのです。 宇宙空間を生地のボールと見立て、その中にレーズン（銀河のような重力で結合した構造を表す）を置くと、どのレーズンも近くのレーズンが全方位的にゆっくり後退していくように見えるでしょう。 しかし、レーズンが遠くにあればあるほど、レーズンは生地に対して動いていないにもかかわらず、速く後退しているように見える。 宇宙という生地が膨張しているように生地も膨張しており、私たちにできることは全体の赤方偏移を見ることだけです。
宇宙は、空間（生地）が膨張するにつれて相対的な距離が長くなっていきます。 2つのレーズンが互いに離れていればいるほど、光が受信されるまでに観測される赤方偏移は大きくなります。 宇宙が膨張することによって予測される赤方偏移と距離の関係は、観測によって裏付けられ、1920年代からずっと知られてきたことと一致しています。 NASA / WMAP Science Team
膨張率の値を測ってみると、単位距離あたりの速度で表せることがわかります。 例えば、宇宙距離のはしごから、膨張率であるH0の値を導き出すと、73km/s/Mpcとなります。 (宇宙マイクロ波背景や大規模構造の特徴を使うと、67km/s/Mpcという似たような値になりますが、若干低くなります。
いずれにせよ、銀河の見かけ上の後退速度が光速を超える臨界距離があります。 それ以上の距離では、銀河は光よりも速く後退しているように見えますが、これは実際の超光速運動によるものではなく、空間そのものが膨張しているため、遠くの天体からの光が赤方偏移しているのです。 この関係の洗練された詳細を調べると、「運動」の説明はデータと一致しないという明確な結論が得られる。
赤方偏移/距離に関する説明（点線）と、膨張する宇宙での距離に関する一般相対性理論の（実線）予測。 決定的に、一般相対性理論の予測だけが、私たちが観測しているものと一致しているのです。 ウィキメディア・コモンズ利用者 Redshiftimprove
宇宙は本当に膨張しており、遠くの天体からの光が大きく赤方偏移したように見えるのは、宇宙空間での銀河の運動によるものではなく、宇宙の構造が膨張しているからなのです。 実際、個々の銀河は、通常、光速の0.05%から1.0%という比較的遅い速度で宇宙を移動します。
しかし、宇宙膨張の影響が否定できなくなるまで、それほど遠くを見る必要はなく、1億光年もあれば十分です。 私たちの目に見える最も遠い銀河は、すでに 300 億光年以上離れたところに位置しており、宇宙は膨張を続け、私たちの目に届くまでにその超遠距離の光を引き伸ばします。 ハッブルの時代からジェームス・ウェッブの時代へ、私たちはそのフロンティアをさらに押し広げることを望んでいます。 6273>
ある距離以上の宇宙にあるすべての銀河は、光よりも速い速度で我々から遠ざかっていくように見えます。 今日、私たちが光速で光子を発したとしても、その光子は特定の距離の向こうの銀河には決して届かない。 つまり、その銀河で今起こっているどんな出来事も、私たちが観測することはできないのです。 しかし、それは銀河そのものが光よりも速く動いているからではなく、宇宙そのものが膨張しているからです。
あなたがこの記事を読むのにかかった7分の間に、宇宙は十分に膨張し、さらに15,000,000個の星がその限界距離を超え、永遠に届かなくなったのです。 赤方偏移を純粋に特殊相対論で説明すると、光よりも速く動いているように見えるだけです。一般相対論が十分に確認されている時代に、このような愚かな方法を取ることはできません。 しかし、それはさらに不快な結論につながる。観測可能な宇宙に含まれる2兆個の銀河のうち、光速でも現在到達可能なのはその3％だけである。
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