宇宙に、存在するはずのない巨大構造物が発見された

2021 年、アレクシア M. ロペスは英国のセントラルランカシャー大学で大学院の学位を取得しています。ロペス氏が93億光年離れたうしかい座に目を向けたとき、45～50個のガス雲で構成された星団が、宇宙の中でほぼ対称形の巨大な三日月形の構造、つまり「ジャイアントアーク」として配置されているように見えて驚いた。

比較すると、現在観測可能な宇宙の幅は約 940 億光年ですが、この巨大な弧は 33 億光年の空間に広がっており、観測可能な宇宙の半径のほぼ 1/15 に相当します。

ロペスにとって、このような大きな弧はほとんど「超現実的」であり、その存在は宇宙は等方性であるべきという宇宙論の原理に違反しているように思われる。 「私は自分のことをつねって確かめなければなりませんでした。これは予期せぬ発見でした。まったく信じられませんでした」と彼女はBBCのインタビューで嘆いた。

ロペスは2021年6月のアメリカ天文学会議でこの巨大アークの発見を発表し、その結果を2022年10月に王立天文学会月報で発表した。しかし、この特異な構造に関するロペスの運命はそこで終わらなかった。

今年1月、アメリカ天文学会（AAS）第243回会議で、ロペスは再び大規模な構造「ビッグリング」を報告した。これは以前発見された巨大な弧に比較的近く、両方ともうしかい座の近くに位置している。

巨大なリングの直径は約13億光年です。地球上で肉眼で見ることができた場合、その大きさは夜空の満月の約15倍になります。リングはほぼ完全な円のように見えるが、ロペス氏の分析によれば、穴が地球に面していることを除けば、螺旋状のコイルに似ているという。巨大リングの直径は巨大アークの直径よりもはるかに小さいですが、その円周は巨大アークの円周に匹敵します。

地球から巨大な弧やリングが見えた場合、空にどのような形に見えるかを描いたアーティストの想像図。

画像提供: Stellarium/セントラルランカシャー大学/PA

しかし、これらの壮大な大規模構造は、その大きさが目を引くだけでなく、さらに重要なことに、その存在が天文学者にとって課題となっているようで、宇宙論の標準モデルを書き直したり修正したりする必要があるかもしれない。

宇宙は均一である... 本当にそうだろうか?

宇宙全体を十分に大きなスケールで観察すると、物質と時空の分布は均一かつ等方性である、言い換えれば、宇宙は滑らかで平坦である、と一般的に信じられます。このような記述は宇宙原理と呼ばれ、アインシュタインの一般相対性理論とともに宇宙論の標準モデルの理論的枠組みを形成しています。均質性と等方性とは、私たちが宇宙のどこにいても、どの方向から観察しても同じ宇宙が見えることを意味します。

宇宙論的原理では宇宙は均一であると説明されていますが、ズームレンズのように「焦点を合わせ」、徐々に「ズームアウト」しながら宇宙を観察すると、1 つの星を周回する複数の惑星、銀河を形成する数十億の星、銀河団を形成する数千の銀河、超銀河団を形成する銀河団が見られます。

これらの銀河は互いに接近しており、大規模なフィラメントを形成し、広大な宇宙を旅しながら、互いに絡み合い、つながり、星間空間を覆う 3D 宇宙ウェブを形成しています。フィラメントは当然物質が集まる場所であり、その向こうには物質の密度が極めて低い中空の領域があります。では、宇宙は依然として均一なのでしょうか?

宇宙のウェブに関するアーティストのコンセプト。

画像提供: NASA

正確に均一であるかどうかは、観測のスケールに依存します。宇宙を海に例えると、海の表面は近くから見ると（相対的に言えば）ざらざらしているように見えますが、遠くから見ると鏡のように滑らかに見えます。大規模なスケールで見ると、宇宙の網目構造における物質の分布は確かに均一です。しかし、比較的小規模なスケールでは、ウェブ自体が物質の不均一な分布を示しています。

実際、宇宙の網のような大規模構造は、まさに科学者の困惑の源です。物質の不均一な分布はどこから来るのでしょうか?宇宙はどのようにして今日私たちが観察しているような形に進化したのでしょうか?

この目的のために、天文学者たちは、恒星、銀河、遠方の銀河団など、宇宙の数多くの天体をより正確に測定し、正確な宇宙地図を作成し、宇宙への理解を深めようと努めてきました。スローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）は、このことから生まれたプロジェクトであり、ロペス氏は過去のSDSSデータでクエーサーの吸収線を観測しているときに、これらの不合理な構造を発見した。

ロペスが発見した「巨大な弧」と「巨大なリング」は、滑らかな表面に現れる目立つ「隆起」のようなものです。 2 つの構造は非常に近いため、超大型の構造に統合することも可能です。 「問題は、このような大きな構造をどうやって形成できるかということです。」英国ウォーリック大学の物理学教授ドン・ポラッコ氏はこう語った。この構造がどのようなメカニズムで形成されたのかを具体的に想像するのは難しいが、宇宙の大規模構造の形成過程と関係があるはずだ。

宇宙論の標準モデルによれば、宇宙が膨張し始めたとき、物質密度の小さな乱れにより、いくつかの領域で物質が凝集した。数十億年にわたる進化の後、重力によってこれらの塊は最終的に星や銀河に凝縮され、最終的に私たちが観測する宇宙の大規模構造が形成されました。

しかし、このプロセスには十分な時間をかける必要があると、英国オックスフォード大学の理論物理学教授、スビル・サーカー氏は述べた。宇宙の年齢は有限であるため、理論的には直径 12 億光年を超える物体を形成するには年齢が足りません。したがって、30億光年を超える規模を持つ巨大なアークや巨大なリングの形成過程をどのように説明するかは、さらなる議論が必要になるかもしれない。

巨人でいっぱい

しかし、天文学者らが発見した大規模構造は、ロペスの「弧」や「リング」だけではない。実際、1989年にはすでに2人の天文学者が宇宙に銀河の「万里の長城」を観測しており、これはCfA2 万里の長城と呼ばれていました。

銀河の集合によって形成されたこの壁は、長さ約 5 億光年、幅 3 億光年、厚さ約 1,500 万光年です。その後、2003年に天文学者たちは、長さ約15億光年にも及ぶ、さらに長い銀河の壁「スローン大壁」を発見した。

過去10年間、天体観測技術が急速に発展し、天文学者たちはこれらの巨大な天体が見える速度も増加していることを発見した。 2016年、天文学者たちは、10億光年に及び830個の独立した銀河からなるBOSSグレートウォールを発見した。

しかし、現在最大の大規模構造は、2013年に発見されたヘラクレス座-かんばん座の万里の長城です。その範囲は100億光年で、観測可能な宇宙の10分の1以上の広さです。

画像出典: Wikipedia

これらの巨大な物体は、宇宙で最大かつ最も重い構造物であると言えます。それらのほとんどは理論上の「可能な形成」スケールの限界を超えており、標準モデルを絶えず改訂する必要もあります。 (このプロセスは時々発生します。たとえば、前世紀には 2 回の改訂があり、1 回は暗黒物質を導入し、もう 1 回は暗黒エネルギーを導入しました。) 実際、初期にスローン ウォールなどの大規模な構造が発見された後、天文学者は、将来のより詳細な銀河調査によって、巨大なアークや巨大なリングなどの同様の構造をさらに見ることができるようになると予測しました。

しかし、一部の科学者はロペスの研究に疑問を呈している。空を見上げて、さまざまな形の雲を見ると、「A、B」の文字の形や、さまざまな動物の形も見えます。これは、ランダムなオブジェクトからパターンを抽出するのが非常に得意ですが、これが実際の構造ではないためです。銀河団のいわゆる「弧」や「リング」は、単に天体の偶然の配置なのでしょうか?

2021年のGiant Arc調査で、ロペスは一連の統計テストを実施し、その結果の信頼度は99.9997%であることが示されました。サルカー氏は、今回の場合は、まさに超銀河団の連鎖とみなせるかもしれないと述べた。新たに発表された巨大リングの研究はまだ査読を受けていないため、さらなる検証が必要になる可能性がある。

参考文献

[1] https://www.uclan.ac.uk/news/big-ring-in-the-sky

[2] https://www.uclan.ac.uk/news/discovery-of-a-giant-arc-in-distant-space-adds-to-challenges-to-basic-assumptions-about-the-universe

[3] http://astronomy.nmsu.edu/cwc/Research/MgIIreview/mgii-over.html#basics

[4] https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos

[5] https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos

[6] https://www.cas.cn/kx/kpwz/202009/t20200901_4757786.shtml

企画・制作

出典: グローバルサイエンス (ID: huanqiukexue)

著者: ブ・ゾウ

編集者：何童

校正：Xu Lai、Lin Lin