陳雪雷丨宇宙の「自然の音」を聞き、暗黒物質の謎を探る

「自然の音楽」とは、宇宙のリズムの一種です。

私たちはビッグバンの音を検出したいのです。

次に、それを使ってダークエネルギーが何であるかを理解します。

陳雪雷、中国科学院国立天文台研究員、宇宙暗黒物質・暗黒エネルギー研究グループ主任科学者

格之倫陀第22号 | 2017年11月25日、北京

宇宙はどのように始まったのでしょうか?宇宙はビッグバンから始まったと言う友人もいます。

これは前世紀に何人かの科学者によって提唱された大胆な推測であり、この理論は後に観察によって確認されました。

宇宙の未来はどうなるのでしょうか？

宇宙はビッグバンで始まったのですが、終わりはあるのでしょうか？将来はどうなるのでしょうか?

実際、ビッグバン理論を提唱した科学者たちもいくつかの予測を立てていました。彼らは宇宙がさまざまな物質で満ちていると仮定し、アインシュタインの一般相対性理論を使って宇宙の運命を予測しました。

左の図はビッグバンの過程を示しており、右の図は未来の予測を示していることがわかります。

ビッグバン以降、宇宙は膨張し続けています。物質の重力により、膨張は徐々に遅くなります。減速した後はどうなるのでしょうか?

これは、その中の物質の量と初期の膨張速度の関係によって決まります。

膨張速度が最初はそれほど速くなく、物質が多い場合、ある程度まで膨張した後は膨張が徐々に遅くなり、最終的にある程度まで遅くなると膨張が止まる可能性が非常に高くなります。そして再び収縮し始め、ある程度まで収縮した後、最終的に「大崩壊」の状態になります。

ビッグクランチ後の宇宙はどのようになるでしょうか?まだ分​​かりません。その時までに、エネルギーと密度はすべて現在の理論では説明できないほど高くなるからです。

宇宙が初めに速く膨張し、物質がそれほど多くない場合は、宇宙の膨張は遅くなりますが、減速してもそれを止めるのに十分ではない可能性があるため、宇宙は膨張し続けます。

それがこの写真の右側にある 2 つの画像です。拡大は続いていますが、減速はそれほど明白ではないかもしれません。

これは過去です。宇宙の未来をみんなはこのように理解しているのでしょうか？次の状況のうちどれが正しいでしょうか?

宇宙の加速膨張

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1980 年代には、何人かの科学者がこの問題を解決したいと考えましたが、彼らは皆、それがどのような状況であるかをどのように判断できるかという大きな困難に直面しました。

この方法は、異なる時期における宇宙の膨張速度を測定するというものです。

左の写真は日常生活で速度を測定する非常に一般的な方法を示しています。

宇宙論の状況は少し異なりますが、原理は同じで、異なる時期に宇宙がどれだけ速く膨張しているかを測定し、その速度がどのように変化するかを確認します。

もちろん、宇宙論における大きな問題は、この距離を測定する方法がわからないことです。

古代から、天体までの距離を把握することは非常に困難でした。

例えば、私たちの国には有名な寓話があります。孔子は、太陽は朝と正午のどちらが近いかと議論している二人の子供に出会ったと言われています。

二人の子どもは非常に良い主張を展開したが、孔子には決断のしようがなかった。これはいわゆる「太陽について言い争う二人の子供」の物語です。

実は、太陽のように比較的私たちに近い天体までの距離を測定するのは、それほど簡単ではありません。もちろん、より遠くにある天体の距離を測定するのはさらに困難です。しかし、科学者たちはいくつかの方法を考え出しました。一つの方法は、いわゆる「標準光源」を使用して距離を測定することです。

標準的なキャンドルライトとは何ですか?

19 世紀には、光学を研究するために、比較的標準的なろうそくが発明されました。これらのろうそくに火が灯されたとき、光の明るさは同じでした。

異なる距離に置くと、ろうそくが遠いほど暗く見えることがわかります。これが標準的なキャンドルライトの効果です。

つまり、その絶対的な光の明るさがわかっており、それがどれだけ明るく見えるかを測定することができます。両者を比較することで、天体がどれくらい離れているかを知ることができます。

問題は、そのようなキャンドルがあるかどうかです。

科学者たちは、そのような「ろうそく」、つまりIa型超新星を発見した。

超新星とは何ですか？

空には暗い星もあれば、明るい星もあります。明るい星のほとんどは太陽系に近い星です。時々、これらの星は突然爆発することがあります。これは通常、寿命が尽きたか、中心核が崩壊したか、または追加の物質が集積したためです。

宋代の1054年、人々は突然昼間に星が現れるのを発見しました。それは非常に明るく、昼間でもはっきりと見えました。

この星は1054年に起きた有名な超新星です。その爆発の痕跡は今でも空に残っており、いわゆる「かに星雲」と呼ばれています。

最も明るい時には、超新星爆発の明るさは太陽の100億倍に達することがあります。

上の写真の右側を見ると、銀河で超新星が爆発した後、非常に明るくなっていることがわかります。

非常に明るいのですが、宇宙の距離からそれを見るのはやはり困難です。私たちはそのような超新星を非常に遠くから見つける必要があります。

天文学者は星空の中でこの種の超新星を探します。少し明るい場所があるかもしれませんが、その明るい場所は実は超新星です。

超新星にはさまざまな種類があります。超新星の一種は、Ia 型超新星と呼ばれます。いくつかの補正を行った後、その明るさは標準光源として使用でき、距離を測定するために使用できます。

20年前、2つの競合する科学者チームが驚くべき発見をしました。

彼らは当初、宇宙が今後も膨張し続けるのか、それともある時点以降は速度が落ちて最終的に収縮するのかを測定したかったのです。その結果、どちらの状況も正しくないことが判明しました。

彼らは何を発見したのでしょうか?

宇宙の膨張は加速しており、どんどん速くなっています。

この結果は世界中で大きな話題となり、最も大きな貢献をした数人の科学者がノーベル物理学賞も受賞しました。

ダークエネルギーの魔法

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ここで疑問が湧いてきます。なぜ宇宙の膨張はどんどん速くなっているのでしょうか?ビッグバンの支持者たちは間違った予測をしたのでしょうか？

科学者たちはさらにさまざまな理論を提唱し、最終的に宇宙には大量の暗黒エネルギーが含まれている可能性があるという結論に達しました。

宇宙を構成する通常の物質は現在、宇宙の約 5% を占めるだけです。残りの95％、95％以上は、私たちが知らない物質である可能性が高く、そのうち20％以上がいわゆる暗黒物質です。

暗黒物質は光を発せず、目には見えないが、その重力から、銀河や銀河団に大量に存在し、宇宙の20パーセント以上を占めていると推測できる。

その性質は、結局のところ重力を生み出すものであるため、理解するのは難しくありません。

このダークエネルギーの特性は非常に奇妙です。その効果は宇宙の膨張を加速することであり、これは一種の宇宙反発力に相当します。それはとても魔法のようなことです。

その魔法のため、私たちはそれを「ダークエネルギー」と名付けましたが、それは正確には何でしょうか?実際のところは分かりません。

ダークエネルギーの出現により、宇宙の運命は大きく変わるでしょう。つまり、拡大しているだけでなく、拡大のスピードもどんどん速くなっているのです。

そのような宇宙では何が起こるでしょうか?

上の図は、現在の銀河の周囲に他の銀河が数多く存在する可能性を示しています。

しかし、宇宙がこのように膨張し続け、どんどん速く膨張していくと、他の銀河はすべて遠くに膨張していくため、他の銀河の数はどんどん少なくなっていきます。

900億年以上経つと、私たちは周囲の銀河を見ることもできず、ここに一人取り残される可能性が非常に高いです。

私たちの宇宙は永遠の孤独の中で終わりを迎え、永遠にここに留まるかもしれないが、これは単なる可能性に過ぎない。

ダークエネルギーが何であるかは分からないので、他の可能性もあります。

ダークエネルギーが増加する可能性もある。それらがどんどん増えていけば、他の銀河が遠くに拡大するだけでなく、私たちの銀河も引き裂かれる可能性が非常に高くなります。地球さえも引き裂かれ、私たちの原子も引き裂かれるでしょう。これは「ビッグ リップ」と呼ばれ、起こり得ることです。

この場合、宇宙はどのように見えるでしょうか?また分かりません。

もうひとつの可能性は、このダークエネルギーが現在宇宙の加速膨張を引き起こしているが、将来的には逆に宇宙の収縮を引き起こす可能性があるというものだ。これも可能性の一つです。

つまり、これらすべての可能性が存在し、宇宙の暗黒エネルギーの謎を解くことによってのみ、宇宙の運命に答えることができるのです。

ダークエネルギーの謎を解くには？

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しかし、この謎をどうやって解くのでしょうか?

まず第一に、非常に正確な測定値を取得し、それを分析のための理論研究を行っている人々に提供する必要があります。

実際、この理論を研究する人はたくさんいます。現在、ダークエネルギー理論は数百あり、そのすべてに何らかの理論的な出発点があるものの、十分な証拠があるものは一つもありません。したがって、この問題を解決するには観察が必要です。

しかし、超新星の観測だけで十分なのでしょうか?

実際、多くの科学者がこの理論に疑問を呈しており、超新星は標準光源であり、爆発時には同じ明るさになる、あるいは同じ明るさではないかもしれないが、補正後には同じ明るさとみなせると主張している。

しかし、おそらく私たちの超新星に対する理解は不完全であり、私たちが誤解する原因となる奇妙な超新星もいくつかあるのかもしれません。

そんな可能性もあるのでしょうか？そういう可能性もある。

私たちのアプローチは、それをできるだけ多くの方法で測定することです。方法の 1 つは、ビッグバン中に生成された音波振動を使用して測定することです。なぜ音波振動を使ってこれを測定できるのでしょうか?

上の写真の左側に池があります。雨粒が池に落ちると、池の上にたくさんの円形の波紋が見られます。明らかに、波紋は雨滴が水面に当たったことで発生します。

よく見ると、この波紋は大小様々であることがわかります。なぜ大きいのと小さいのがあるのでしょうか？雨粒が落ちる時間が違うからです。

しかし、湖にバケツ一杯の水を注ぐと、すべての水が同時に水面に落ち、それが巻き起こす波も同じであることがわかります。この場合、すべての円は同じサイズになります。

同じ大きさの円が混ざっていたら、肉眼で区別するのは困難でしょう。

それを分析する数学的手法があれば、これらのリングがどれだけ大きく拡大したかを知ることができます。

この方法を使用することで、宇宙を測定するための宇宙距離の「標準定規」という新しい定規が提供されます。これは距離を測定する別の方法であり、ダークエネルギーが何であるかをテストしたり、さらに正確に測定したりするために使用できます。

私たちの宇宙における「水」とは何でしょうか?

この場合の水は銀河の分布です。

上の写真では、私たちは中央に立って、遠くの周囲を見ているのと同じです。宇宙には多数の銀河が存在します。画像内の各点は、オレンジ色であろうと緑色であろうと、実際には銀河を表しています。

これらの銀河の分布をよく観察すると、実は不規則であることがわかります。しかし、それは何らかの規則を暗示しているようです。つまり、それは繊維状の構造のように見えますが、それについて特別なことは何も見ることができません。

異なる波長に分解すると、全体的に、より大きなスケール（上の図の左側）では、高くなることがわかります。より小さな規模（上の写真の右側）では、低下します。

下降するにつれて、振動の兆候が見られました。

この下降部分全体を削除すると、中央の小さなインセットに若干の振動があることがわかります。

この振動の規模は、宇宙のさまざまな距離スケールを物語っています。これにより、宇宙の距離と宇宙がどのように膨張しているかを理解することができます。

この方法は、上の図を得るために使用されています。灰色の線は超新星を使用して行われた元の観測を表し、青い線はこの方法を使用して測定された観測を表します。

青い線がすべて灰色の線より上にあることがわかります。これらは数年前の観察結果であり、データは常に変化しています。

しかし、超新星までの距離とこの音波振動法で測定された距離は完全には一致していません。

この不一致は単にエラーによって生じたものでしょうか、それとももっと深い意味があるのでしょうか?

まだ理解できていないので、より正確な観察が必要です。

現在、国際社会はダークエネルギーを非常に重要な科学的問題とみなしており、それを測定する実験も数多く行われています。

これには、ユークリッド衛星やWFIRST衛星など、将来打ち上げられる衛星や、観測用の大型地上望遠鏡のアップグレードが含まれますが、これらの観測のほとんどは光学帯域で行われます。

これも問題を引き起こします。暗黒エネルギーは目に見えず、私たちが行う観察はすべて多くの仮定に基づいています。

光学観測で同じ星が見えるということは、私たちが理解していない何らかの影響が私たちを惑わしている可能性はあるでしょうか?

電波観測（ラジオ観測とも呼ばれる）は、別の視点を提供します。

上の画像は、光学的に見た銀河（左）と、電波を使用して見た同じ銀河（右）を示しています。

無線帯域、または無線バンドでは何が見えるのでしょうか?

実際、宇宙で最も豊富な元素は、暗黒物質や暗黒エネルギーではなく、通常の物質中に存在する水素です。なぜなら、水素はビッグバンで形成されたからです。

この水素元素は波長 21 cm の放射線を発生します。 21cmの波長は実はマイクロ波の一種であり、このマイクロ波放射は検出可能です。

この放射線の強度を測定すると、中性水素、つまり水素原子が銀河内でどのように分布しているかがわかります。

ここでは銀河内の水素原子を示しており、このような観測を行うための新しい方法、つまりマイクロ波または電波法を提案したいと考えています。

もちろん、この観察も非常に困難です。左の写真は、アメリカのアレシボ望遠鏡です。口径は300メートルで、何十年もの間世界一の電波望遠鏡として君臨してきました。

右の写真では、光学観測による青い点と電波観測による赤い点が多数あることがわかります。

赤い点が少なくなり、距離もそれほど遠くないことがわかります。実際のところ、その感度は光学よりもまだ劣っていることを意味します。

では、もっと良い望遠鏡があれば、もっと遠くまで見ることができるのでしょうか?我が国は世界最大の単一皿望遠鏡「FAST」を建設しました。

FASTの設計者、ナン・レンドン氏が逝去されました。

2006年、ナン・レンドン氏はFASTの開発を提案し、FASTを使って宇宙論の研究を行うことも提案しました。

FAST の感度は向上しましたが、視聴距離はまだ限られています。さらに、FAST は非常に大きいにもかかわらず、銀河を見るとまだあまり鮮明ではありません。あまり明確でない場合、何か影響があるでしょうか?

後でよく考えてみると、問題はそれほど深刻ではないことがわかりました。

上の写真の各点は銀河を表しています。銀河全体を見た場合、解像度が十分でなければ、個々の銀河を見ることはできません。これらをすべて混ぜ合わせると、下の写真のような感じになります。

個々の銀河を見ることはできませんが、全体としてどのように分布しているかを見ることはできます。この方法により感度がさらに高まり、さらに遠くの宇宙を見ることができるようになります。

さらに、FAST 自体がこの分野で行うことができる研究に加えて、特殊な望遠鏡の開発により、より低コストでより優れた検出を実現できる可能性があります。

宇宙のリズムに耳を傾ける

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これが「天来プロジェクト」の提案につながりました。

当時、海外の多くの人も同じ考えを持っていたため、「天来同盟」を結成しました。

「天音」という言葉は荘子の『物等論』で「天地人の音」について言及したことに由来しています。 「大地の音」は谷間を吹き抜ける風の音のようです。 「人間の音楽」は、人が楽器を演奏している音のように聞こえます。

自然の音とは何でしょうか？

「自然の音」は宇宙のリズムです。私たちはビッグバンの音を検出し、それを利用してダークエネルギーが何であるかを理解したいと考えています。

これまで、宇宙の距離で中性水素を生成しようとする実験が世界中で数多く行われてきましたが、誰もそれを実現できていません。

なぜ？

なぜなら、遠い宇宙にある中性水素を見ると、写真の左側の端に中性水素によって生成された信号が見えるからです。

その前には天の川から発せられる非常に強い明るい光が重ね合わされており、これが右の写真に示されている天の川の前景です。天の川の前景放射線は、21センチメートルの信号よりも約10万倍強力です。

したがって、この 21 cm の信号を見たい場合、それは昼間に星を見たいのと同じです。星はそこにありますが、大気によって散乱された太陽光によってかき消されています。

信号が見えるようになるまでには、非常に洗練された手段を使ってこれを減らす必要があります。それで、減らすことはできますか？

幸いなことに、自然はまだ私たちにチャンスを与えてくれます。

なぜなら、天の川銀河が発するシンクロトロン放射、つまり前景放射は、非常に滑らかなスペクトルを持っているからです。非常に滑らかで、直線、またはわずかに湾曲した滑らかな曲線のように見えます。これを差し引くと水素原子の分布が明らかになり、21 cm の放射線強度に変化が生じます。

したがって、原理的には可能ですが、非常に高度な機器と複雑なデータ処理が必要になります。

2012年にプロジェクトの支援を受けて、私たちは関連する研究を開始し、この地域で実験を行うために興隆と内モンゴルに小型アンテナを設置しました。

また、天文学によって生成される無線信号は非常に弱いのに対し、レーダー、テレビ、携帯電話などの地上のデバイスは強い干渉信号を生成するため、これらの干渉信号を回避する必要があるため、最適な場所を選択する必要もあります。

干渉信号が最も少ない場所を見つけるにはどうすればよいでしょうか?

もちろん、人口が少なければ少ないほど、生成される信号も少なくなります。周りに山があってそれを遮ってくれればベストでしょう。

しかし、無人地帯や島に行くと、やはり電気や通信、道路などを整備しなければならないという問題もあります。これは総合的な問題です。

全国各地から多数の場所を選び、100か所以上を訪問しました。サイトの分布からわかるように、その多くは内モンゴルにあります。

当初、私たちは内モンゴルで探したいと考えていました。北京に非常に近く、実験を行うのに便利だからです。

しかし残念なことに、内モンゴルは人口がまばらであるにもかかわらず、地形が非常に平坦で、電波が伝わる草原がどこまでも続いているため、干渉が依然として非常に深刻であることが後に判明しました。

この写真はFAST望遠鏡付近のものです。敷地選定も行いました。緑色の部分は、リモートセンシング マップを通じて発見された小さな平らな領域であることがわかります。

さらに、青海省、チベット、新疆ウイグル自治区の多くの場所も選びました。

これらの場所を旅するのは私たちにとって非常に疲れましたが、非常に興味深くもあり、普段はなかなか見られない多くの状況を見ることができました。

最終的に、貴州省平塘市での FAST の建設を断念しました。そこの山は非常に急峻だからです。

機材を持って中を歩くことはできますし、中は平地になっていますが、車で山を越えるのは難しく、山を爆破して道路を建設する必要があります。

これはFASTのような大型望遠鏡では可能ですが、当初行った小規模な実験ではコストが高すぎ、サイクルが長すぎたため断念しました。

最後に私たちは新疆に行き、新疆の数十か所を訪問しました。

ここが私たちが最後に見つけた場所、新疆ウイグル自治区のバルコルです。新疆ウイグル自治区の東部に位置し、シルクロード沿いにある小さな町です。

機会があれば、ぜひ行って見てください。とても美しいですね。市街地の隣には雪を頂いた山々があり、漢王朝と唐王朝の時代に残された「狼煙台」も残っています。この場所の状況は非常に厳しいですが、良い点は、人口が本当に少ないことです。

私たちが最終的に選んだ駅は、先ほど述べた小さな町から 160 キロ離れたところにあります。そこには人がほとんどいなくて、時々牧畜民やラクダ、羊に出会うこともありました。

工事は現地で行い、工事の過程では多くの同僚や同級生が尽力しました。

写真はアンテナを設置しているところです。冬に雪が降ると、この作業も難しくなります。当時、私たちの同僚数人がメンテナンスとテストを行うために数キロ歩いてこの場所に入りました。

右下の出稼ぎ労働者のような男性は、私たちのグループの呉鳳泉准研究員です。彼は多くの論文を書いた。同時に、彼は多才な人物でもある。彼はブルドーザーを運転したり、ブルドーザーを修理したり、私たちのためにいろいろなものを作ったりすることができます。

当時は修理に出向くのが非常に困難だったので、彼はナンを数枚持参しました。夏には、私たちの農場に野生の砂ネギが生えていました。彼はいくつか摘み取って水で洗い、ナンと一緒に食べました。

私たちの同僚やクラスメートが、自分の努力ではなく、協力してこれを築き上げたことをとても嬉しく思います。

これが私たちが現在構築している望遠鏡アレイ、Tianlai Array です。

手前の円形のものは円盤型アレイ、奥のものは円筒型アレイと呼ばれます。

これら 2 種類のフォーメーションに関して、なぜ 2 種類を作成する必要があるのか​​疑問に思うかもしれません。実際、どちらが有利なのかという議論が今起きています。私たちは比較することで学びます。

これは列配列の別の写真です。

ここが私たちの駅舎です。冬はかなり寒いです。

昨年、初光観測を達成しました。

ご覧のとおり、右側の天空地図は初光観測で作成したもので、左側の天空地図は以前に他の望遠鏡で測定した天空地図に対応しています。現時点では予備テストを行っているだけなので、これはまだ非常に鈍感な結果です。

左側の天体図にあるもののいくつかは右側にも見られますが、左側にはないものが右側にもあります。

これらのうちいくつかは、太陽などの移動する光源によって引き起こされ、いくつかは、さらなる数学的処理によって除去できる、予備的な結果における単なる錯覚です。

次のステップは、それを処理してより良い画像を取得する方法を研究することです。

最終的に成功した場合、全体の観測を実行するためにこのアレイを拡張する必要があります。

成功すれば、暗黒エネルギーのモデルに非常に良い制約が得られ、宇宙の膨張に伴って暗黒エネルギーが変化しているのか検出できる可能性もある。

なぜ天来実験を行う必要があるのでしょうか?

実際、この実験は議論を呼んでおり、多くの人が私の見解に完全に同意しないかもしれませんが、なぜこの実験を行う必要があるのでしょうか?もっと論文を発表してもらえますか？

実はそうではありません。理論的な作業をしていたときは、頭を使うだけですぐに論文を書くことができましたが、実験作業に多くの時間を費やす必要があるからです。

結果を出すのは簡単でしょうか?

もちろん違います。実はこの仕事は世界ではまだ成功しておらず、皆がまだ模索しているところです。

成功は保証されていますか?

21センチメートルの実験は10年以上行われていますが、まだ結果は出ていないため、保証することはできません。

私たちは今これを試していますが、いつ成功できるかはわかりません。しかし、なぜそれをする必要があるのでしょうか?

宇宙を探検し、新しいものを発見する機会を与えてくれるので、とても幸運だと感じているからです。

2015年以前に、人類は初めて重力波を観測し、世界に衝撃を与えました。

しかし、重力波が提案されてから、ほぼ100年にわたる試行錯誤が必要でした。

1960年代に実験が始まり、何世代にもわたる何十年にもわたる試行錯誤を経て、ようやくそのような検出が実現しました。

実際、重力波が登場する前は、私たちの実験が成功する可能性が高いと思っていましたが、今では重力波が成功し、私たちはまだ成功していません。しかし、遅かれ早かれ私たちも成功すると信じています!

- 終わり -

記事とスピーチは著者の見解のみを表しており、格智倫道フォーラムの立場を表すものではありません。