インフレーション宇宙膨張の理論

1. インフレーション宇宙膨張の理論 （２００９年度の「宇宙を知る」講座にて、本格的説明を行う予定です） 図１．旧来のビッグバン・モデルにインフレーション膨張を加えた図 図２．インフレーション膨張からビッグバン膨張へ移り変わる様子 　　　（移り変わる時間の１０-34秒は、１兆分の１の更に１兆分の１のまた更に１００億分の１　と 　　　 　いう極端に短い時間しか宇宙の開闢から経過していない） 図３．宇宙の地平線についての説明 図４．インフレーション膨張を含む宇宙モデルにて宇宙地平線が膨張する様子 図５．宇宙の晴れ上がりを観測する電波望遠鏡を搭載した COBE とWMAPの観測 　　　　結果。（測定された宇宙温度には10万分の１程度のゆらぎはあるが、 　　　　　　　　　 宇宙全体が一様温度） 　　　　　　 図６．COBE等の電波望遠鏡から見た宇宙晴れ上がり時の地平線内領域の角度の大きさ 図７．宇宙が生まれて１０ -34秒までの初期には、まだ素粒子は出来てなくて、光粒子だけ 　　　であった。その頃に真空のエネルギーがインフレーション膨張を引き起こし、その結果 　　　として、ビッグバン爆発を起こす光エネルギーが相転移により生まれる様子

2. 図１． [cm] （地平線とは？　２ページ後の図３を参照） 現在（百三十七億年） （地平線までの距離） [sec]

3. 図２．

4. 図３． ３ページ後の図６で述べるように地平線以上に離れた広い宇宙で電波観測銀河が一様に分布しているのはなぜか ？

7. 図４． 上図の10cmの地平線が137億年の間に 広がった領域が下図のグレーの球（大きさ は137億光年よりはるかに大きい） その結果⇒

8. 図５．

9. ←（前ページのCOBEとＷＭＡＰの観測範囲で、←（前ページのCOBEとＷＭＡＰの観測範囲で、 1000万光年の大きさ） ←この地平線の大きさは30万光年 （この図が示すように、ＣＯＢＥやＷＭＡＰが観測した十万分の一程度 　のゆらぎよりずっと大きな温度ゆらぎ（角度が４°くらい）が観測され 　るはずなのに、実際の観測結果は、ゆらぎの無い一様宇宙であった） ６．

10. 左図にある真空のエネルギーρVの特徴は、宇宙が左図にある真空のエネルギーρVの特徴は、宇宙が 膨張しても減少せず一定である。（左上図の実線） 他方、光のエネルギーρrは膨張と共に温度Ｔが下がり 減少するので、真空エネルギーと同じになる瞬間が来 て、宇宙空間の相転移が開始します。 しかし、実際の相転移は、すぐには起こらず、宇宙空間 は相転移終了時までそのままです。 すると、その期間には真空エネルギーが光エネルギー より大きいので、真空エネルギーが宇宙空間を支配し、 アインシュタイン宇宙空間方程式の解によると、空間が 指数関数的に非常に急激な加速膨張を起こすことが示 されています。 これこそが、左の下図にあるR(t)のインフレーション 膨張を引き起こすわけです。 この膨張期間には、真空エネルギーは変わらずその ままなので、断熱膨張となり、空間の急速な膨張は、 光エネルギーの急速な過冷却を起こします。 更に、相転移終了時には、実際の相転移現象がこの 時に一挙に起きるので、真空の潜熱エネルギーが放出 され、光のエネルギーに転化します。 この光エネルギーは、相転移開始直前より、空間体積 が１０の２５乗倍にも増加しているのに、光エネルギー 密度は、相転移終了時には、開始時とほぼ同程度に 再増加しているので、宇宙全体は莫大なエネルギーを 獲得していることになります。 この宇宙空間エネルギーこそが、その後開始する普通 のビッグバン爆発のエネルギー源となるわけです。 図７．

11. インフレーション膨張時における光のエネルギー密度と真空エネルギー密度の時間変化インフレーション膨張時における光のエネルギー密度と真空エネルギー密度の時間変化 ・上図にある真空のエネルギーρVの特徴は、宇宙が 膨張しても減少せず一定である。（上図の実線） 他方、光のエネルギーρrは膨張と共に温度Ｔが下がり 減少するので、真空エネルギーと同じになる瞬間が来 て、宇宙空間の相転移が開始します。 ・　しかし、実際の相転移は、すぐには起こらず、宇宙空間 は相転移終了時までそのままです。 すると、その期間には真空エネルギーが光エネルギー より大きいので、真空エネルギーが宇宙空間を支配し、 アインシュタイン宇宙空間方程式の解によると、空間が 指数関数的に非常に急激な加速膨張を起こすことが示 されています。

12. インフレーション前後の宇宙の広がりの変化 ・　真空エネルギーこそが、下図にあるR(t)のインフレーション膨張を引き起こすわけです。 この膨張期間には、真空エネルギーは変わらずそのままなので、断熱膨張となり、空間の急速な膨張は、 　光エネルギーの急速な過冷却を起こします。 • 更に、相転移終了時には、実際の相転移現象がこの時に一挙に起きるので、真空の潜熱エネルギーが放出され、光のエネルギーに転化します。 • この光エネルギーは、相転移開始直前より、空間体積が 　１０の２５乗倍にも増加しているのに、光エネルギー密度は、相転移終了時には、開始時とほぼ同程度に再増加しているので、宇宙全体は莫大なエネルギーを獲得していることになります。 • この宇宙空間エネルギーこそが、その後開始する普通のビッグバン爆発のエネルギー源となるわけです。