140 億年弱前、私たちの宇宙は、ビッグバンとして知られる重大な出来事で誕生しました。以前は何もありませんでした - 物質もエネルギーも、私たちが知っている空間と時間さえもありませんでした - 突然、過熱された胚が現れ、そこから現在の宇宙が成長しました.
今日、私たちの宇宙の空間は計り知れません。天文学者が望遠鏡で夜空をのぞき込むとき、彼らが見る最も遠い銀河は何十億光年も離れています。宇宙がこれらの驚異的な割合に達した理由は単純で、膨張しているからです。この膨張は、アルバート アインシュタインの一般相対性理論によって予測され (アインシュタインは最初にその概念を拒否しましたが)、1929 年にアメリカの天文学者エドウィン ハッブルと彼の助手ミルトン ヒューメイソンによって発見されました。
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その後、拡大がどのくらいの速さで起こっているかを把握するための競争が始まりました。これにより、宇宙の年齢、銀河などの大規模な構造がどのように形成されたか、そしておそらく最も重要なこととして、宇宙が最終的にどのようにその日を終えるかなど、私たちの宇宙の重要な特性が決まります。ゆっくりと膨張する宇宙の内向きの引力は、最終的に膨張を停止させ、空間を再崩壊させ、文字通り元に戻り、ビッグクランチと呼ばれる一種の逆ビッグバンで内破します。
それは、空中に投げ上げられたボールが最終的に重力に応えて地面に落ちなければならないようなものです。しかし、ボールをはるかに速く空中に投げると、惑星の重力から逃れることができます。急速に膨張する宇宙もほぼ同じように振る舞い、膨張は永遠に続きます – 無限の宇宙につながりますが、銀河がますます増加する空間全体に広がっているため、ますます希釈された宇宙になります.
しかし、天文学者が望遠鏡を長時間見つめるほど、重力の作用で膨張する単純な物質で満たされた宇宙が観測と一致しないことが明らかになりました.
まず第一に、宇宙には明るく目に見えるものすべてを単純に足し合わせるよりも多くの物質があるように見えました。 1930 年代、銀河団を調査していた天文学者は、銀河団内のいくつかの銀河が非常に速く動いているように見えるため、銀河団の重力から逃れることができるはずであることを発見しました。銀河がすべて宇宙に飛んでいるわけではないという単純な事実は、銀河団にはそれらを束縛されたシステムとしてまとめるのに十分な重力がなければならないことを意味していましたが、これを行うのに十分な物質が存在していないようでした.
その後、1970年代に、個々の銀河内で、そして宇宙全体でまったく同じ不一致が研究によって発見され、宇宙の物質の50〜95％がこの神秘的な目に見えない物質でできていることが示唆されました。暗黒物質」。それが何であるかは誰にもはっきりとはわかりませんでしたが (そしてそれは今日でもそうです)、彼らが確信していたことの 1 つは、この失われた物質のすべての余分な重力が、宇宙の膨張にブレーキをかけるように設定されているように見えたことです。
しかし、物事はもっと見知らぬものになるように設定されていました。 1990 年代半ばまでに、天体観測と理論計算の間の不一致が拡大し、天体物理学者は暗黒物質だけが宇宙の隠れた要素ではないと信じるようになりました。そして1998年、これらの疑惑が確認されました。天文学者の 2 つのチームが独立して研究を行った結果、宇宙の膨張は重力によってまったく減速されていないことがわかりました。実際、まったく逆で、加速しています。
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この推論は、超新星の研究から行われました。超新星は、巨大な星の死を示す巨大な爆発です。それらは非常に明るく、ホスト銀河内のすべての星からの光を合わせたものよりも一時的に優れています。これは、観測対象が数十億光年離れたところから見える必要がある宇宙論に最適です.
特に、天文学者はタイプ 1a として知られる超新星のクラスに注目しました (これは連星系 (互いの周りを周回する星のペア) で発生します)。超新星火球の持続時間は、式によってそれらの固有の明るさに関連付けることができるため、これらは特別です。つまり、地球から見たそれらの見かけの明るさを測定すると、それらの光が距離に応じてどれだけ暗くなったか、したがってそれらとそのホスト銀河が実際にどれだけ離れているかがわかります.
光の速度が有限であることは、遠く離れた銀河がはるか昔のように見えることを意味します。したがって、地球から数十億光年離れた銀河を研究することで、天文学者は数十億年前の宇宙のスナップショットを得ることができます。これにより、天文学者の 2 つのチームは、宇宙の歴史の中で膨張が時間とともにどのように変化したかについての図を作成することができました。彼らの調査結果は、宇宙が古くなるにつれて膨張率が着実に増加していることを明確に示していました.
しかし、何が原因でしょうか？物理学者はすぐに「暗黒エネルギー」という名前を思いつきましたが、それが何でできているかを正確に理解することはまったく別の問題でした.アインシュタインは最善の提案をした。彼は、宇宙は彼が「宇宙定数」と呼んだもの（一般相対性理論の方程式の定数項として現れるため、そのように名付けられた）によって浸透していると言いました.これは、アインシュタインが、宇宙が膨張しているという一般相対性理論の予測を「是正」しようとしていたときのことです。加速度は、重力を打ち消し、宇宙を静的に保つためにまさに彼が必要としていたものでした。しかし、宇宙が膨張しているというハッブルとヒューメイソンの発見が壊れたとき、彼はすぐに宇宙定数をゴミ箱に入れました.
物質の素粒子の挙動を研究する科学者である量子物理学者は、空の空間の真空から宇宙定数のような効果が生じるはずであると計算しました。量子論では、真空は非常に短い時間スケールで飛び出したり飛び出したりする「仮想粒子」で満たされていると予測されています。そして、これらすべての幽霊のような粒子が作り出す結果として生じる「真空エネルギー」は、一般相対性理論の方程式に差し込まれると、暗黒エネルギーを説明できる宇宙加速効果につながります。しかし、問題は、量子論から予測される暗黒エネルギーの量が、観測が許容するよりもはるかに大きいことです.
もう1つの可能性は、暗黒エネルギーは何もない空間そのものではなく、空間を満たす物質またはエネルギーの場の産物であるというものです。この枠組みでは、暗黒エネルギーは一定ではなく、宇宙が膨張するにつれて動的に進化します。宇宙論者は、このようなモデルを駆動する物質の分野を説明するために「真髄」という用語を作り出しました。これは、古代ギリシャの哲学者が宇宙が構成されていると信じていた古典的な要素の 5 番目への言及です。
クインテッセンスは、最近出現した宇宙論の問題を解決するのに役立つ可能性があるため、魅力的です。宇宙膨張率の現在の測定値は、若い宇宙の測定値を取得し、最善の方法を使用してそれらを時間的に進化させることによって得られる推定値よりも大幅に大きくなります。宇宙モデル。 1 つの解決策は、宇宙の膨張が加速するだけでなく、加速率も加速している、つまり、宇宙の加速が時間とともに増加している、真髄のようなモデルです。 「ファントム エネルギー」として知られるこのエキゾチックな種類の暗黒エネルギーが生成する余分な加速は、宇宙の膨張を促進し、観測結果と一致させるでしょう。
暗黒エネルギーが宇宙の膨張を元に戻すのではなく、加速させているため、この物質のホストである宇宙は永遠に膨張し続け、ビッグクランチの可能性を排除する可能性が高い.時間とともに変化するクインテッセンス フィールドがこのすべてを変える可能性がありますが、現在はまったく逆のことを行っていても、おそらく宇宙が将来再び崩壊する可能性があります。
より多くの天体観測が必要であり、暗黒エネルギーの性質をさらに調査するためのいくつかのプロジェクトが計画されています。 2020 年、チリの大型シノプティック サーベイ テレスコープ (LSST) は、遠方の銀河の 10 年間の研究を開始します。また、同年、欧州宇宙機関はユークリッド宇宙望遠鏡を打ち上げる予定です。そして 2020 年代半ばに、NASA は独自の宇宙天文台である広視野赤外線サーベイ望遠鏡 (WFIRST) を立ち上げました。暗黒エネルギーの性質に関する現在の推定では、10% 以内の精度でアインシュタインの宇宙定数のように振る舞うことが確認されています。 Euclid、WFIRST、および LSST は、これを約 3% まで引き締めます。あるいは、おそらくもっと興味深いことに、暗黒エネルギーがまったく別の動物であることを示す証拠を発見する可能性があります。様子を見るしかありません。
今日、暗黒エネルギーの存在の証拠はかなり鉄壁です。最良の観察結果は、それが私たちの宇宙の 69% を構成していることを示唆しています。約 26% が暗黒物質であり、星や惑星、そしてあなたや私を構成する原子や分子はわずか 5% です。 2011 年に、その存在を確認する画期的な超新星観測を行った天文学者は、ノーベル物理学賞を受賞しました。
暗黒エネルギーは、宇宙論で私たちが理解していないことの多くの中心です.この謎を解き明かすことで、宇宙の大部分が何から作られているかがわかり、基本的な素粒子物理学についての新しい詳細が明らかになり、おそらくビッグバンの性質の手がかりが得られるでしょう。
そのため、この謎を解明することが、21 世紀の宇宙学者にとって最も緊急の優先事項の 1 つであり続けています。
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