私たちの宇宙の標準モデルは、いくつかの亀裂を示している可能性があります。いくつかの基本的な宇宙観測は互いに矛盾しています。たとえば、ビッグバンからの残留熱の観測によると、宇宙は本来よりも 10% 速く膨張しているように見えます。
宇宙パラメータの推定値が向上するにつれて、矛盾が解消される可能性は十分にあります。しかし、矛盾が解消されず、おそらく原子、星、銀河のように複雑な目に見えない「暗い」要素を含めるために、宇宙の基本的な図が根本的な修正を受けようとしている可能性もあります.
- Science Focus Podcast でマーカス チョウンが宇宙論の亀裂について語っているのを聞いてください。
暗黒物質、暗黒エネルギー、インフレーション
宇宙論は究極の科学です。宇宙の誕生、進化、そして運命を扱っています。標準モデルは、ビッグバン、暗黒物質、暗黒エネルギー、インフレーションなど、いくつかの要素で構成されています。
まず、ビッグバンを取り上げます。天文学者は、天の川を含む宇宙の基本的な構成要素である銀河が、巨大な爆発の余波で互いに離れて飛んでいるのを見ることができます.彼らはまた、宇宙が宇宙背景放射である遺熱によって浸透していることも観察しています。
これら 2 つの観測結果から、天文学者は過去の宇宙がより小さく、より高温であったことを知ることができます。実際、標準的な図によると、宇宙は 138 億 2000 万年前に猛烈に熱い火の玉の中で誕生し、それ以来膨張を続けており、銀河は冷却された破片から凝固しています。
しかし、基本的なビッグバンの写真には、観察と矛盾するため、いくつかの追加要素が必要です。まず、そして最も深刻なことに、それは私たちが存在すべきではないと予測しています。
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基本的なビッグバンによれば、物質が原初の火の玉から出てきたとき、それは非常にスムーズに広がった.その後、平均よりわずかに密度の高い領域は、重力が強くなり、物質をより速く引き寄せました。金持ちがますます金持ちになるのと同じように、このプロセスの結果が、今日私たちが見ている銀河です。問題は、天の川銀河と同じくらい巨大な銀河が集まるには、138 億 2000 万年以上かかることです。
宇宙学者は、目に見えない暗黒物質を基本的なビッグバンにボルトで固定することで問題を解決します。目に見えない暗黒物質は、目に見える星や銀河よりも 6 倍重く、その余分な重力が銀河の形成を加速させました。
基本的なビッグバンの写真が観測と矛盾する 2 番目の方法は、宇宙膨張が減速するはずであると予測することです。重力は、銀河間の弾性の網のように作用し、銀河の衝突を互いに制動します。しかし 1998 年、天文学者たちは、すべての予想に反して、膨張が加速していることを発見しました。
彼らは、暗黒エネルギーを基本的なビッグバンにボルトで固定することでこれを修正します。ビッグバンは、目に見えず、すべての空間を満たし、反発する重力を持っています。宇宙の膨張を加速させているのは暗黒エネルギーです。
ビッグバンの写真が観測と矛盾する 3 つ目の理由は、宇宙はどこでも同じ温度、つまり宇宙背景放射の温度であるということです。その温度は 2.726K です (絶対零度は 0K)。ビッグバンの初期には、今日空の反対側にある領域は、温度を均等にするには離れすぎていました.
宇宙論者は、早い段階で宇宙が予想よりもはるかに小さかったと仮定することで、これを修正します.したがって、138 億 2000 万年で現在のサイズに達するには、より速く拡大したに違いありません。
実際、宇宙は最初の一瞬で、水爆の爆発に例えられるほどの激しい膨張を経験したと考えられています。これは、最初の「インフレ」が勢いを失ったときに引き継がれたビッグバン拡張のダイナマイトの棒と比較されます.
そこにあります。宇宙論の標準モデル＝ビッグバン＋インフレーション＋暗黒物質＋暗黒エネルギー。技術的には、「Lambda-CDM」という名前で呼ばれます。ビッグバン + インフレーションが暗黙のうちに想定されているのに対し、ラムダは暗黒エネルギーの省略表現であり、CDM は冷たい暗黒物質の省略形です。「冷たい」とは、その構成要素がゆっくりと移動するため、重力がそれらを塊に集中させることを意味します.
冷たい暗黒物質に何か問題がある
Lambda-CDM が観測と競合する最初の方法は、銀河団に関係しています。コールド ダーク マター モデルによると、重力によってダーク マターは銀河団より小さいものを含むさまざまなスケールで凝集します。
その後、通常の物質 (星に形成される) が引き込まれます。これらの「サブハロー」には多くの星がある場合がありますが、一部のサブハローには星がないか、星が少なすぎて見えない場合があります。ただし、それらを明らかにする方法があります。
イタリアのボローニャにある国立天体物理学研究所のマッシモ・メネゲッティ博士が率いるチームは、チリにあるハッブル宇宙望遠鏡と欧州南天天文台の超大型望遠鏡で 11 の銀河団を観測しました。彼らは、より遠くにある銀河の光と、目に見えないサブハローのそばを通過するために、それがどのように歪むか、または「重力レンズ効果」を受けるかを調べました。
チームが驚いたことに、サブハローによるレンズ効果は予想よりもはるかに強く、サブハローが非常にコンパクトであることを示しています。これは、サブハローがもっとふくらんでいるはずだと主張する冷暗黒物質モデルと矛盾します。
「この異常が、データを分析する方法や理論的な予測を行う方法によって引き起こされる可能性があるかどうかを知る必要があります」とメネゲッティは言います。 「説明できなければ、モデルを修正するしかありません。」
1 つの可能性は、暗黒物質は、私たちが考えているもので構成されていないということです。好ましい候補は、重力によってのみ通常の物質と相互作用する、相互作用の弱い大規模な粒子です。このような弱く相互作用する大質量粒子 (WIMP) は、素粒子物理学の標準モデルの一部ではありませんが、「超対称性」と呼ばれる推測理論によって予測されています。
「暗黒物質は、さまざまな方法で WIMPS と相互作用する粒子で構成されている可能性があります」とメネゲッティは言います。 「可能性のある代替物には、『無菌ニュートリノ』と呼ばれる新しいタイプのニュートリノ、『アクシオン』と呼ばれる別の種類の粒子、さらにはビッグバンの直後に形成された原始ブラック ホールなどがあります。」
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物質の滑らかさ
Lambda-CDM と観測の間の 2 番目の競合は、大規模な物質の塊に関係しています。
オランダのライデン天文台の Koen Kuijken 教授が率いるチームは、ヨーロッパ キロ度調査 (KiDS) の最新のデータ リリースで、3,100 万個の非常に暗い銀河の分布を調べました。 KiDS の共同研究では、チリにある超大型望遠鏡の調査望遠鏡を使用して、2 つの大きな空域を観測しました。
具体的には、Kuijken のチームは、これらの銀河の光が銀河と地球の間の物質によって重力レンズされ、その分布を可能にする方法を調べました.
宇宙背景放射によって明らかにされたビッグバン直後の宇宙の密度の非常に小さな変化を取り、これらがどのように変化するかを計算する冷たい暗黒物質モデルによって予測されたよりも、物質が8.3％滑らかに広がっていることを発見しました。過去 138 億 2000 万年にわたって重力によって強化されてきました。
繰り返しになりますが、異常はデータのより良い分析または低温暗黒物質モデルの修正によって解消される可能性があります。あるいは、モデルが根本的に間違っていると言っている可能性もあります。
ハッブル定数の測定
「ハッブル張力」として知られる Lambda-CDM と観測の間の 3 番目の競合は、宇宙の現在の膨張率の尺度であるハッブル定数に関するものです。それを測定するには 2 つの方法があり、それらは互いに矛盾しています。
1 つの方法は、空全体の宇宙背景放射の温度の微妙な変化を調べることです。これらは、物質の「流体」と宇宙サイズの浴槽で水のように跳ね回る放射線によって、時間の初めに放射線に刻印されました。
これらのスロッシング モードからすべての主要な宇宙パラメータを抽出することが可能です。たとえば、ヨーロッパのプランク衛星は、宇宙が 4.9% の原子物質、26.8% の暗黒物質、および 68.3% の暗黒エネルギーであることを発見しました。
重要なことに、そのような観測は宇宙初期のハッブル定数も明らかにしており、これは現在まで推定することができます。ここに問題があります。外挿された値は、現在観測されているハッブル定数よりも約 10% 小さいのです。
心に留めておくべき重要なことは、物理学が単純でよく理解されているため、宇宙背景放射から推定されるハッブル定数が非常に正確であるということです。しかし、今日の宇宙におけるハッブル定数の測定はより粗雑で、問題をはらんでいます。
このような測定には、セファイド変光星やタイプ 1a 超新星など、常に同じ固有光度を持っていると考えられている天体を見つけることが含まれます。真夜中に野原に張り巡らされた標準的な 100W 電球のように、そのような「標準的なろうそく」は相対的な弱さによって相対的な距離を明らかにします。
問題は、そのような星の物理学が十分に理解されておらず、私たちが期待するほど標準的ではない可能性があることです.したがって、宇宙膨張によって私たちから遠ざかる標準キャンドルの距離のこれらの測定値は誤りであり、最終的には宇宙背景放射からのハッブル定数と一致するハッブル定数が得られる可能性があります.
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まったく新しいもの
一方で、自然が宇宙について何か新しいことを教えてくれている可能性もあります。 「『宇宙論の標準モデル』は無知を認めたものです」と、ハーバード大学のエイブラハム・ローブ教授は認めています。
「私たちは、性質がわからない成分を「暗黒物質」や「暗黒エネルギー」と呼んでいます。私たちはそれらが何であるかわからないので、これは非常に大雑把なモデルであり、現実を簡単に単純化しすぎている可能性があります。」
Loeb は、暗黒物質は 1 種類の暗黒物質粒子の流体ではない可能性があると指摘しています。 「暗黒物質の粒子は 1 つではなく、質量と相互作用が異なる粒子の混合物である可能性があります」と彼は言います。暗黒物質は、通常の物質と同じように、92 の自然発生元素に組み立てられたクォークと電子で構成される複雑なものである可能性があります。
さらに、暗黒物質粒子は複雑な方法で振る舞う可能性があります。例えば、それらは宇宙の年齢とともに崩壊し、重力を弱め、宇宙膨張からブレーキを外すかもしれません.このような宇宙膨張率の上昇は、ハッブルの緊張を緩和するでしょう.
ハッブルの緊張を確認または反論する 1 つの可能な方法は、標準のろうそくではなく「標準のサイレン」を使用することです。重力波は音波に似た時空の振動であり、中性子星の合体は灯台の霧笛のような標準的なサイレンを生み出すと考えられています。音が小さいほど、サイレンは遠くなります。
「重力波源は、現在の不確実性を解決するための最も堅牢な方法を提供します」と Loeb は言います。そのような技術が、異なる観察の間の現在の矛盾が本当であるかどうかを示すことが期待されています.
宇宙論の標準モデルは、目に見えない複数の要素にもかかわらず、比較的単純です。しかし、その単純さは、より複雑な現実に目をくらませている可能性があります。 「自然は、最も単純なバージョンに従う義務はありません」と Loeb は警告します。
- この記事は、BBC Science Focus Magazine の第 358 号に最初に掲載されました – 購読方法はこちら
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