ダークエネルギーの謎：宇宙の膨張の背後にある力は変化するのか？

著者：Duan Yuechu、Huang Xianghong

広大な宇宙には、まだ完全に解明されていない魅力的な謎が数多く存在しますが、ダークエネルギーは間違いなく最も考えさせられる謎の 1 つです。科学者たちは長い間、暗黒エネルギーは宇宙において時間の経過と同じくらい信頼できる、一定で不変の力であると信じてきました。しかし、この春の新たな研究により、ダークエネルギーは一貫していないようだという衝撃的な発見がもたらされた。この結果は、科学という静かな湖に巨大な岩が投げ込まれ、波をかき立てるようなものでした。

ちょうど爆発した花火の中心に座っているところを想像してください。花火が爆発すると、火花が飛び散り、いくつかは集まって火の糸となり、他のいくつかはすぐに暗闇の中に消えていきます。しばらくすると、宇宙の進化と同じように、煙だけが残ります。花火の膨張は化学反応によって起こりますが、宇宙の膨張は空間自体のエネルギーによって起こります。私たちの視点から見ると、宇宙はあらゆる方向に拡大しており、その速度は加速しているように見えます。

この春、科学界から衝撃的なニュースが飛び込んできた。宇宙の膨張を加速させていると考えられている謎の力、ダークエネルギーに何か問題があるかもしれない、というのだ。よく知られている 2 つの暗黒エネルギー調査、暗黒エネルギー調査 (DES) と暗黒エネルギー分光装置 (DESI) と、既存の 3 番目のデータ セットを組み合わせることで、この奇妙な現象が明らかになりました。 DES は遠方の超新星を測定し、DESI 実験は初期宇宙の銀河と音波を測定し、3 番目のコンポーネントは宇宙マイクロ波背景 (CMB) を測定します。これらのデータをまとめて分析すると、驚くべき結果が得られます。

アリゾナ州キットピークにある DESI 望遠鏡は、約 1200 億年前に存在していた何百万もの銀河の位置を測定します。天文学者たちは、観測されたこれらの銀河の位置を、暗黒エネルギーの予測に基づいて予想される銀河の位置と比較したが、予想されたような広がりは見られなかった。宇宙学者が DESI 銀河、DES 超新星、宇宙マイクロ波背景放射を組み合わせたところ、さらに大きな驚きが浮かび上がりました。宇宙の実際の地図が理論モデルから乖離し始めたのです。

この発見は何を意味するのでしょうか?もし新たな結果が真実であれば、長い間不変であると考えられてきたダークエネルギーは、結局は可変である可能性がある。これは間違いなく宇宙論にとって大きな衝撃です。 「もしこれが本当なら、大事件になるだろう」とスペインのバルセロナ大学宇宙科学研究所の理論宇宙学者リシア・ベルデ氏は言う。しかし彼女はまた、いつものことながら、このような驚くべき主張にはそれを裏付ける驚くべき証拠が必要であると強調している。

暗黒エネルギーは発見されて以来、宇宙における不変の力として考えられてきました。プリンストン大学の宇宙学者ポール・J・スタインハート氏は、この発見が真実であると確認できるのは、結果が慎重な精査に耐えうる場合のみであると指摘した。そして今はまだ時期尚早です。

この発見の潜在的な影響を理解するには、アインシュタインの時代まで遡る必要があります。アインシュタインが一般相対性理論を定式化したとき、彼は宇宙は均一で静止していると仮定しました。しかし、当時は他の銀河が存在することすら知らず、星が均等に分布していないことを示す証拠もありました。アインシュタインの方程式では、重力と均一性は両立せず、重力は不安定性をもたらします。曲がった宇宙で重力が支配的であれば、宇宙のあらゆるものは 1 つの巨大な塊にまとまっているはずですが、実際はそうではありません。アインシュタインはその後、重力を相殺する何らかの宇宙の力が存在するという仮説を立て、それを「宇宙定数」と呼び、ギリシャ文字のラムダで表現した。

しかし 1929 年にエドウィン・ハッブルは、宇宙は静止しているのではなく、膨張していることを発見しました。そのため、アインシュタインはこの連続的な反作用力を放棄し、それを「最大の失敗」と呼んだ。しかし、1998 年にアダム G. リース、ソール パールマッター、ブライアン シュミットによる研究により、宇宙がまだ若かった頃に爆発した超新星は予想よりも暗く、宇宙がおそらく遍在する一定の力によって、ますます速い速度で外側に膨張していることが示唆されたことが判明しました。こうして宇宙定数が復活し、科学者たちはその背後にある力は真空エネルギーまたはダークエネルギーと呼ばれる空の空間のエネルギーから来るものだと信じるようになりました。

1990 年代後半以降のすべての観察がこのシナリオを裏付けているようです。ラムダは現在、暗黒エネルギーと大量の目に見えない「冷たい暗黒物質」（CDM）の重力を組み合わせた、ラムダ-CDM モデルとして知られる標準的な宇宙論モデルの中心にあります。このモデルでは、宇宙の約 68% は暗黒エネルギー、27% は暗黒物質、残りの 5% は銀河、星、さらには私たち自身も含め、私たちが見て測定できるすべてのもので構成されています。 DESI のような調査は、ダークエネルギーを正確に測定し、その特性についての洞察を得ることを目的としています。

しかし、Lambda-CDM モデルに誰もが満足しているわけではありません。スタインハート氏は「これは非常に奇妙な一連の出来事のように思えます。唯一の利点は、数字で説明されていることです。しかし、だからといってそれを信じるべきというわけではありません」と語った。暗黒エネルギーが時間とともに変化することが判明すれば、宇宙論に多くの可能性がもたらされるでしょう。

4月にDESI調査結果が3Dマップと統合されて以来、経済学者たちは忙しくなっている。これまでのところ、ラムダを他の一定でない宇宙の力に置き換えることができる理論は存在しません。この新たな発見以前から、一部の宇宙学者は、一定のダークエネルギーに代わるものを探す傾向にあった。その理由は、その考えがあまりにも奇妙だったから（他の既知の力は一定ではなく、時間、圧力、その他の要因によって変化する）、そしてラムダが他の物理理論を導入したことが不合理に思えたからだ。 「量子論では、空の空間のエネルギーを計算しても、意味のある答えは得られず、無限大になる」とシカゴ大学の宇宙学者ジョシュア・A・フリーマン氏は言う。 「人々が代替品を探す理由の一つは、それがなぜそれほど価値があるのか​​理解できないからです。」

理論家たちは新たなダークエネルギーについていくつかのアイデアを提案しており、そのほとんどは、通常の粒子に質量を与えるヒッグス場に似た流体のようなエネルギー場を伴うものだ。提案されているこれらの暗黒エネルギー場は、古代に最初に想像された古典的な第 5 の要素にちなんで「エッセンス」と呼ばれることがよくあります。このエネルギー場（スカラー場とも呼ばれる）はさまざまな方法で作用し、銀河が互いに離れていく、宇宙が膨張しているように見えるなど、私たちが観察する結果を生み出すことができますが、違いは、この宇宙の力は永続的ではなく一時的なものであるということです。

理論家の中には、宇宙インフレーションと呼ばれるスカラー場の潜在的な初期バージョンを研究してきたため、古典理論を支持する人もいます。この場はビッグバン直後に宇宙に影響を与え、宇宙の膨張を指数関数的に促進した後、最終的に落ち着き、より遅い速度で加速を続けたと考えられます。リース氏は、現代のダークエネルギーの背後にあるスカラー場は「小さなインフレーション」のようなものだと考えている。宇宙の物理空間にエネルギーがある限り、宇宙は加速します。このダークエネルギー場は非常に弱く、ヒッグス場よりも約30桁軽く、宇宙の膨張と同様に一時的なものです。

フリーマン氏とその協力者によって1995年に初めて提案された人気のバージョンは、「解凍」または「スローローリング」ダークエネルギーと呼ばれています。ペリメーター研究所の理論宇宙学者ジェシー・ミューア氏は、それが宇宙に与える影響は宇宙定数の影響に似ていると述べている。 「それは、ある種の固有のエネルギー密度を持つ空の空間として現れますが、後の宇宙では変化するため、後の宇宙では何らかの偏差が生じる可能性があります」と彼女は説明した。

ボールが丘の斜面を浅い U 字型の谷に向かって転がっていくところを想像してください。摩擦がなければ、ボールは反対方向に転がり、その後前後に振動します。球体によって表される場のポテンシャルは、宇宙の密度または膨張に関連して場のポテンシャルを移動することがいかに容易であるかを表します。これは、宇宙が現在の状態に達する前の初期の頃に何らかの変化を経験した可能性があるヒッグス場を理解する方法でもあります。同様だがより重い磁場が宇宙の膨張を引き起こした可能性がある。ダークエネルギーが同じように働くなら、前例があることになる、とフリーマン氏は言う。

「我々が知る加​​速現象の唯一の他の例では、それが定数であるダークエネルギーではないことが分かっています。それは何か別のものです」と彼は語った。 「私は常に、現在の宇宙の膨張の加速の原因について、偏見を持たないでおく必要があると感じてきました。」フリーマンのバージョンでは、ボールは宇宙の始まりの山の側面に置かれました。宇宙の密度が高すぎてボールが十分な速度で転がることができなかったため、ボールは最初動かなくなってしまいました。宇宙が膨張し、物質が薄まると、ボールが転がり始めます。これは、球体が解凍されて動き始めるため、「解凍された」ダークエネルギー モデルと呼ばれます。 「それはまさにダークエネルギーに似ているが、ダークエネルギーが宇宙の膨張に与える影響は、それが完全に一定である場合とは異なる」とフリーマン氏は語った。 「そしてそれは、DESI、ダークエネルギーサーベイ、そしてCMBの最新データが示唆するものとまったく同じように見えるかもしれません。」

理論家たちは、上記の理論に加えて、ビッグバンが何度も起こるという周期的な宇宙モデルである「ビッグバウンス」や、一般相対性理論の変種（宇宙のごく初期や異なるスケールでは重力の挙動が異なるというモデル）などのアイデアを検証している。

暗黒エネルギー、あるいは宇宙の膨張を推進している他の力を明らかにするために、新世代の観測所が登場します。欧州宇宙機関が運営するユークリッド宇宙望遠鏡は昨年打ち上げられ、2030年まで稼働し、天空の約3分の1の地図を作成し、暗黒物質と暗黒エネルギーをカタログ化する。 NASA の将来のナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、10 億以上の銀河を調査し、暗黒エネルギーの研究をさらに深めることになる。 DESの調査は2026年まで継続されます。

ラムダが落ちるには、宇宙学者は5シグマの信頼水準に達する必要がある。つまり、発見が誤りか偶然の結果である可能性は100万分の1程度しかないということだ。これまでのところ、プランク衛星からのDESI、DES、宇宙マイクロ波背景放射の結果は、この事象が偶然に発生する確率が3シグマ、つまり約0.3パーセントであることを示している。これは強力な証拠のように聞こえますが、3 シグマの結果は綿密な調査では不合格になる可能性があるため、真の科学的発見には 5 シグマの発見が不可欠です。 DESIはまだ作業中だが、チームは天の川銀河のデータを精査するのに1年を費やしており、ヴェルデ氏は同僚たちが順調に作業を進めていると語った。

一般相対性理論やさまざまなスケールでの重力のテストにも取り組んでいるジェシー・ミューア氏は、現在の宇宙の状態が最良の手がかりを与えてくれるだろうと考えている。もし暗黒エネルギーが自然界と同じように流体のようなエネルギー場であるならば、このモデルは、宇宙が時間の経過とともにどのように膨張するかと宇宙構造がどのように凝集するかの間に何らかの関係があることを予測することになるだろう。宇宙学者は、銀河団の形成など、膨張と成長の相関関係を調べることで、一般相対性理論を超えて重力の性質と力を理解することができます。

DESI分析に取り組んでいるヴェルデ氏でさえ、ラムダCDMが覆されるかどうかについては懐疑的だ。 「私は本当に保守的ですが、このことを踏まえると、個人的には根強いダークエネルギーを窓から投げ捨てるつもりはありません。まだです」と彼女は語った。 「今、私たちはそれをさらに観察し、理解を深め続ける必要があります。」

リース氏は、多くの宇宙学者がラムダを注意深く観察しているが、まだ最終的な判断は下していないと語る。スタインハート氏は、特に3つの異なるタイプのデータを組み合わせて包括的な結論を導き出す場合、体系的な誤差が新たな調査結果に影響を与える可能性があると考えている。 「誰もが最善を尽くしているが、少し疑ってかかるべきだ」と彼は語った。

もしラムダが何とか生き残ったとしても、それは非常に退屈な結末、そして哲学的に挑戦的なものとなるだろう。宇宙の未来は、冷たく、空虚で、遠く、そして静かなものとなるでしょう。膨張は永遠に加速し続け、ついには原子自体が非常に薄く引き伸ばされて、中心がもはや自らを支えることができなくなり、崩壊してしまいます。

しかしフリーマン氏は、将来はそれよりも明るいかもしれないと語った。 「DESIとDESからのこれらのヒントは、我々が前進し続けることを告げている」と彼は付け加えた。

科学的探究に終わりはなく、ダークエネルギーの研究は継続しています。あらゆる新たな発見、あらゆる疑問や検証は、私たちを宇宙の真実に近づけてくれます。この広大な宇宙には、私たちが解明するのを待っている無数の謎があります。

暗黒エネルギーの発見は、宇宙の進化に関する私たちの理解に深遠かつ多面的な影響を及ぼしました。

1. 宇宙の膨張に関する私たちの理解が変わります。ダークエネルギーが発見される前は、重力の影響により宇宙の膨張は徐々に減速すると一般に信じられていました。しかし、ダークエネルギーの存在により宇宙の膨張が加速し、これまでの予想を完全に覆し、宇宙の進化は想像以上に複雑でダイナミックなものであるかもしれないと気づかせてくれます。

2. ダークエネルギーの発見により、宇宙の構成を再検討する必要が生じました。これまで私たちは主に可視物質と暗黒物質に焦点を当ててきましたが、暗黒エネルギーの発見は、私たちがほとんど知らない宇宙の主要な構成要素が存在することを意味します。これにより、宇宙における物質とエネルギーの分布と、それらがどのように相互作用して宇宙の進化を形作るかについての理解を再構築する必要が生じます。

3. 暗黒エネルギーの性質と変化は、宇宙の将来の運命に決定的な影響を及ぼします。暗黒エネルギーが成長し続けると、宇宙はより速い速度で膨張し、銀河はますます離れ、最終的には冷たく、空っぽで、孤立した宇宙が形成される可能性があります。一方、ダークエネルギーの特性が変化したり、一定ではないことが証明されたりすると、宇宙の進化の道筋も変わる可能性があり、宇宙の最終的な行き先について考える上で新たな可能性と課題が生まれます。

4. ダークエネルギーの研究は理論物理学の発展も促進しました。科学者たちは、ダークエネルギーの起源と性質を説明するために、さまざまな理論モデルや仮説を提唱しており、それがミクロレベルとマクロレベルの物理学のより深い探究を促し、新たな物理理論の誕生を促すことが期待されています。

つまり、ダークエネルギーの発見は、宇宙の進化に関する私たちの理解を大きく広げるとともに、将来の科学研究に対する多くの挑戦的な疑問や方向性を提起しました。