アインシュタインの重力理論は新たなテストに合格したが、暗黒エネルギーは謎のままなのか？

暗黒物質対重力：アインシュタインは常に正しい

新たな研究は、科学者が重力レンズ効果（遠方の銀河からの光の歪み）を利用して、宇宙の加速膨張を研究するのに役立つ可能性がある。

アインシュタインの一般相対性理論のアーティストによる解釈。 （写真提供：コーヒー • ゲッティイメージズ）

科学者たちは、宇宙の加速膨張を牽引する謎の力を説明するために、アインシュタインの一般相対性理論の欠陥をいまだに探し続けているが、成果は得られていない。

研究者たちは1億個の銀河を研究し、宇宙の歴史を通じて、あるいは広大な宇宙の距離にわたって重力の強さが変化した兆候を探した。そのような変化の兆候があれば、アインシュタインの一般相対性理論が不完全であったか、修正が必要であることを示唆することになる。この変化は、ダークエネルギーとは何かを明らかにする可能性もある。ダークエネルギーとは、宇宙の膨張を加速させる原因となるあらゆるものに科学者が付けている名前である。

宇宙の加速膨張の原因は何ですか。

重力の強さの変化は発見されなかったが、この研究は、今後打ち上げられる2つの宇宙望遠鏡、NASAのユークリッド計画とNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡が、空間と時間における重力の強さの変化を探すのに役立つだろう。

「測定がより正確になるにつれ、アインシュタインの重力理論に異議を唱える余地がまだある」と、NASAジェット推進研究所（JPL）の元博士研究員でチームメンバーのアグネス・フェダー氏は声明で述べた。

ダークエネルギーと宇宙の加速膨張が科学者にとってなぜそれほど不安なのかを理解するには、ブランコに乗っている子供を押して、そのスピードが遅くなり、ほぼ完全に止まるのを見るのを想像してみてください。すると、ブランコは突然加速し、何の推進力もなく素早く動き続けました。

科学者たちは、ビッグバンによる最初の加速の後、宇宙の膨張は減速するはずだと考えています。しかし、そうではありません。それは加速しており、「ダークエネルギー」という用語は、この加速を推進する謎の力を表す仮置きの用語です。

つまり、ダークエネルギーは実際には重力と戦っているのです。重力は宇宙の物体を引き寄せますが、ダークエネルギーはそれを引き離すのです。暗黒エネルギーは宇宙の全エネルギーと物質の約68パーセントを占めているため、研究者たちはその謎を解明することに熱心に取り組んでいます。そこでダークエネルギーサーベイチームは、チリのビクター・M・ブランコ4メートル望遠鏡を使用して50億年前を調査することにしました。

空間と時間を通して重力をテストする

光は一定の速度で進むため、天文学者は遠くの宇宙の物体を過去にどのように見えたかを見ることができます。

たとえば、光が太陽から地球まで移動するには約 7 分かかります。そのため、地球から見える星は 7 分前の姿のままです。さらに遠く、天文学者が1光年離れた天の川銀河の物体を観測するとき、彼らはそれが1年前どのような様子だったかを見ていることになります。ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡で研究されている遠方の銀河の中には、光が地球に届くまでに何百億年もかかっているものもあり、私たちが見ているのは、宇宙がまだ比較的幼少期にあった138億年前の銀河だ。重力の強さの変化を示唆するのは銀河自体の観測ではなく、望遠鏡までの長い旅の途中で銀河の光に何が起こるかである。

時間と空間の探求

一般相対性理論によれば、質量は時空構造を曲げ、質量の大きい物体はより大きな曲率を生み出します。よくある例えとしては、伸ばしたゴムシートの上に重さの異なるボールを置くというものがあります。ボウリングのボールはテニスボールよりもマットに深いへこみを残します。恒星は惑星よりも時空を大きく歪めます。

銀河のような物体は時空を非常に強く歪ませるため、光が銀河を通過すると、その進路が曲げられ、光が地球に到達するまでに、その光を発した物体の空における見かけの位置が変わります。天文学者はこの効果を重力レンズ効果と呼んでいます。

2022年7月11日、NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、これまでで最も深宇宙の赤外線画像となる、科学品質の画像として初めて一般公開されたことを発表しました。 (画像提供: NASA、NASA、カナダ規格協会、宇宙望遠鏡科学研究所)

発光体から発せられる光は、銀河などの巨大な天体（レンズ天体と呼ばれる）を通過する経路を複数回たどるため、重力レンズの影響で、天空の複数の場所で光源が歪んだり、拡大されたり、さらにはぼやけて見えたりします。そのため、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した最初の画像では、遠方の銀河がぼやけて見えます。 ）

しかし、重力レンズ効果の影響はより微妙であり、これらの微妙な影響は通常、暗黒物質の存在によって引き起こされます。暗黒物質は光や他の物質を排除して重力とのみ相互作用するため、その形状と構造は重力のみによって生じます。

アインシュタインはまたも正しかった

最近の研究で、暗黒エネルギーの科学者たちは、遠方の銀河の画像の中に「弱い重力レンズ」と呼ばれるこれらの微妙な歪みを探した。研究者たちは、これによって重力レンズ銀河内の暗黒物質の分布の変化が明らかになり、ひいては時間と空間にわたる重力の強さの変化が示唆され、謎の暗黒エネルギーが明らかになるだろうと推論した。

1億個の銀河における暗黒物質の形状を観測すると、すべてが依然としてアインシュタインの一般相対性理論に適合していることが分かります。

これは探索が終了したことを意味するものではありません。天文学者たちは今後、それぞれ2023年と2027年に打ち上げ予定のユークリッド宇宙望遠鏡とローマン宇宙望遠鏡に焦点を絞り、さらに古い銀河の重力の変化を探し、暗黒エネルギーの解明につながる変化を発見することを期待している。

NASAによると、新たな研究では50億年前の銀河を観測したが、ユークリッドは80億年前まで遡り、ローマンはさらに遡って110億年前の銀河を観測するという。

「ユークリッドとローマの準備ができるまで、まだやるべきことがたくさんある」とフェダー氏は語った。 「したがって、ダークエネルギー調査で行っているように、この問題に取り組むには世界中の科学者と協力し続けることが不可欠です。」

研究チームの研究結果は、8月23日にリオデジャネイロで開催された国際素粒子物理学および宇宙論会議（COSMO'22）で発表された。チームの調査結果を詳述した論文がプレプリントリポジトリ arXiv.org に掲載されました。

著者:ロバート・リー

FY:ジェーン

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