許可を得て転載 Quanta Magazine の Abstractions ブログ。
2003 年初頭、 チャック ベネット は宇宙の正確な内容を学びました。
それまでに、ほとんどの宇宙論者は、宇宙には目に見える以上のものがあると結論付けていました.風車銀河の観察は、目に見えない物質の足場が星を結びつけている一方で、反発する形のエネルギーが銀河を引き離していることを示唆していました。詳細を知るために、ベネットと彼のウィルキンソン マイクロ波異方性プローブ (WMAP) チームは 1 年かけて空のあらゆる方向から来るマイクロ波を収集しました。マイクロ波は、宇宙がわずか 380,000 歳だったはるか昔に発生源を離れた光線です。この若い宇宙の写真を撮ることで、WMAP チームはその年齢と形を突き止め、いわゆる暗黒物質と暗黒エネルギーがどれだけ含まれているかを正確に突き止めることができました。
ジョンズ・ホプキンズ大学の天体物理学者であるベネットは、「突然、この数字のリストを手に入れました。」
チームは 2003 年 2 月に最初の結果を発表しました。彼らがその後何年かかけて改良した「宇宙マイクロ波背景放射」（CMB）の地図は、惑星、ガス、恒星のよく知られた物質が宇宙のわずか 4.6% を占めていることを示していました。一方、目に見えない暗黒物質は 24% を占めています。宇宙の円グラフの残りの 71.4% は、宇宙自体の構造に注入されると考えられている暗黒エネルギーでなければなりませんでした。 WMAP の後継であるプランク衛星が 10 年後に CMB のさらに鮮明な画像を撮影したとき、数値は少しだけ変化しました。また、暗黒エネルギーと暗黒物質の他の証拠については引き続き争われていますが、CMB 内のそれらの痕跡は事実上疑いの余地がありません。
ニューヨーク大学の天体物理学者、Yacine Ali-Haïmoud 氏は、CMB は「間違いなく、最も重要ではないにしても、現代宇宙論の柱の 1 つです」と述べています。
宇宙がどのようにして宇宙のマイクロ波背景でそのような説得力のあるメッセージを走り書きしたか、そして研究者がそれを読むことをどのように学んだかを以下に示します.
当初、マイクロ波が発生源を離れる前は、宇宙は暗くて目に見える物質でできたほとんど特徴のない流体でした.この原初の物質は、かつては白熱して輝いていましたが、宇宙の最初の数十万年の間に薄オレンジ色に冷やされました。光線は、隣接する粒子に跳ね返る前に遠くまで移動できませんでした。この散乱光により、流体は霧状になり、加圧されたままになりました。
しかし、今日の星や惑星の種はすでに蒔かれていました。自然界に完璧なものはありません。スムーズな原初のスープは、周囲の液体よりも約 1000 分の 1 の密度の領域もあれば、はるかに薄い領域もあり、非常にわずかに凝固していました。
重力が物質を引き寄せ、光の波が物質を引き離すと、流体は跳ねた。この綱引きは、余分な物質が外側にこぼれるにつれて密集したスポットを薄くし、物質が内側に突入するにつれて薄いスポットを厚くしました. 1 つの領域が薄くなりすぎると、粒子が再び突入し、その逆も同様であり、各ブロブは高密度と低密度の間を行ったり来たりしました。幸いなことに、物理学者は、合理的な温度で単純な流体のこのような波動を分析するために必要なすべての理論的ツールを持っています。 「物理学はかなり古いものです」と Ali-Haïmoud は言いました。
CMB は、特定の時間にスロッシング流体を捕捉します。約 380,000 年間膨張した後、宇宙は十分に冷却され、陽子と電子が対になって水素原子になりました。これは再結合と呼ばれる現象です。衝突する荷電粒子がほとんどないため、光線が突然自由になり、圧力が解放され、密度の塊が所定の位置に固定されました。それ以来、膨張する宇宙は、解放された光線の波長をマイクロ波に引き伸ばしてきました。空全体からそれらを収集することにより、WMAP 望遠鏡とプランク望遠鏡は初期の宇宙とその内容をスロッシュの途中で捉えました。彼らの地図は、より密なスポットとより薄いスポットのしみのようなパターンを示しており、これはマイクロ波によって示され、温度がわずかに高いか低いかを測定します (青が黄色よりも熱い炎を示すのと同じように)。
CMB の乱雑な波紋を解読するための鍵は、再結合が選択された一連のブロブに永続的な宇宙的重要性を付与したことです。完全に薄くなるのに 380,000 年かかるほどの大きさの原始物質の厚い塊を考えてみましょう。大きな斑点は完全に薄くなる時間がなく、小さな斑点は再び濃くなり始めます。小さい塊の 1 つの特定のセットは、ピークの厚さからピークの薄さへ、再びピークの厚さへ戻るのに十分な時間がありました。さらに小さなスポットのさらに別のセットは、ちょうど 3 つの遷移を完了し、その他のスポットは 4 つ完了しました。
研究者は、マップをさまざまな程度にぼかすことで、CMB の重なり合ったスタティックを分析し、彼らが見る密度の変化をプロットします。 CMB パワー スペクトルと呼ばれる結果のプロットには、再結合時に最大の厚さまたは薄さに達した特別なブロブのサイズを表す一連のピークがあります。カーネギー メロン大学の宇宙学者であるスコット ドデルソン氏によると、宇宙が別の方法で開発されていたり、別の宇宙混合物が含まれていたりした場合、別の音色パターンが再結合の際に凍結し、耳がピアノとクラリネットを区別できるのと同じように、科学者はそのパターンを区別できたはずです。大学。
最大の斑点は、現在の空で 1 度の角度に広がり、満月の幅の約 2 倍です。このことから、宇宙学者は宇宙の形を推測できます。つまり、空間が平らで、平行光線が平行のままであるか、サドルや球体のように湾曲しているかを推測できます。物質とエネルギー曲線空間、重力として経験する効果。一方、宇宙の膨張は空間を平らにし、宇宙論者はしばらくの間、一方の側が勝っているのか確信が持てませんでした。曲率が異なると、CMB で最大のブロブが大きくなったり小さく見えたりします (丸い地球を平らにすると、アフリカとグリーンランドの外見上のサイズがどのように歪むかを考えてみてください)。宇宙。 WMAP は、光線を 0.4 % 以内に忠実に飛ばすのに十分なコンテンツを持つ宇宙を見つけました。
小さな塊は宇宙の構成を明らかにします。クラムチャウダーがチキンスープとはねかけるのが違うのと同じように、それらのサイズと、それらがどれだけ厚くなったり薄くなったりするかは、液体の成分に依存していました.原始流体では、暗黒物質は重力の引力を感じましたが、光線からの電磁気の圧力は感じませんでした。ノーマルマターはどちらにも反応した。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の宇宙学者であるテスラ・ジェルテマは、研究者は、さまざまなサイズのブロブが内側と外側にスロッシングする強度、つまりパワースペクトルのピークの相対的な高さを比較することで、これら 2 つの流体成分を区別できると説明しました。 /P>
誰も暗黒物質粒子を特定していませんが、CMB は捉えどころのない物質の大規模な挙動を明らかにします。 Ali-Haïmoud はこの状況を、水の化学式が H2O であることを知らなくても、浮力と圧力を理解している近代以前の科学者になぞらえています。重力の法則を微調整するなど、暗黒物質の明らかな影響を説明しようとする試みは、原始流体の特定の脈動に一致させる必要があります。挑戦に立ち上がったモデルはまだありません。
一方、暗黒エネルギーは、宇宙の若さにおいてごくわずかな役割しか果たしませんでした。その存在は、現在の宇宙が平らであるという CMB の指示から推測できます。測定された暗黒物質と目に見える物質の量には、空間を平らにする力がありません。しかし、現代の宇宙に 71.4% の暗黒エネルギーを加えると、すべてのバランスが取れます。
この図は完全ではありません。最近の天体観測では、今日の宇宙は CMB レシピが示唆するよりも速い速度で膨張していることが示唆されているためです。しかし、WMAP とプランクのデータは、星や銀河の運動について代替の、暗くない説明を求める理論家に高い基準を設定しました。 「これらの詳細な地図ができたので、CMB だけでほぼすべてを取得することができます」と Dodelson 氏は言います。
チャーリー・ウッドは、地球の内外での物理科学の発展を取材するジャーナリストです。彼の作品は に掲載されています サイエンティフィック アメリカン、 Christian Science Monitor や LiveScience などの出版物。以前は、モザンビークと日本で物理学と英語を教え、ブラウン大学で物理学の学士号を取得しています。
