宇宙論の基礎をガタガタさせようとする最新の試みは、宇宙の嘲笑へと引き上げられた点の散らばりとして現れました。アレクシア・ロペスが6月のアメリカ天文学会の会議で発表した遠方の銀河の弧は、それを隠すのに20回の満月がかかるほど空を横切って広がります.推定 33 億光年の空間にまたがる、笑顔の形をした構造は、物議を醸すクラブに加わりました。予想外に大きなものです。
「非常に大きいため、現在の信念では説明が困難です」と、銀河鎖を特定したセントラル ランカシャー大学の天体物理学者の 1 人であるロペス氏はプレゼンテーションで述べました。
ロペスの「ジャイアント アーク」は、何世紀にもわたって天文学を導いてきた、宇宙には目立った特徴がないという考えと衝突しているように見えました。ズームアウトした視点から見ると、どこにいても、どの方向から見ても、ほぼ同じ数の銀河が風車を回っているのが見えるはずです.
「宇宙論的原理」として掲げられたこの仮定により、研究者は宇宙の隅から見たものだけに基づいて、宇宙全体について包括的な結論を導き出すことができました。
ジュネーブ大学の宇宙学者であるルース・デュラーは、「それが間違っていることが判明した場合、測定の多くをやり直すか、測定の多くを再解釈する必要があります.
現代の宇宙論の負荷を支える支柱として、宇宙論の原理はますます標的になっています。ロペスと彼女の同僚のような一部の挑戦者は、衝突する天体の集合体に困惑している天体物理学者です。他の人は、宇宙のほとんどのものは「暗黒物質」と「暗黒エネルギー」の形で私たちの機器から隠れているというコンセンサスの見解に不安を感じている異端の宇宙学者です。彼らは、理論家が宇宙論の過度に単純化された理論を修正するために幻想を呼び起こしたのではないかと考えています.
ほとんどの人は、宇宙論の原理を精査する価値があることに同意します。しかし、これまでのところ、大きすぎる構造やその他の異常の新しい主張は、へこみを作ることに失敗しています.ユニバーシティ カレッジ ロンドンの宇宙学者である Seshadri Nadathur 氏は、「私たちはできるだけ多くの穴を開けようとしていますが、他の誰かが穴を開けたと言うことに非常に懐疑的です」と述べています。
コペルニクスからアインシュタインまで
宇宙論の原理は、コペルニクスの原理、ニコラウス・コペルニクスが 1543 年に発見した、地球は固定された創造の中心ではないという認識から生まれました。地球が太陽の周りを公転しているのではなく、太陽の周りを公転しているという彼の洞察は、一連の謙虚な見方の変化を引き起こしました。天文学者は 1800 年代に、太陽が単なる恒星であることを証明しました。次の世紀、彼らは私たちの銀河系以外にも無数の銀河を発見しました.
ラス・クンブレス天文台とカリフォルニア大学サンタバーバラ校の宇宙学者アンドリュー・ハウエルは、「私たちは特別な存在ではありません。 「宇宙は私たちにそれを伝え続けています。」
地球が特別ではないだけでなく、どこも特別ではありません。過去 1 世紀にわたる天文学的調査は、宇宙論的原理として知られるようになったものを 2 つの方法で固めました。強力な望遠鏡が暗闇の奥深くを覗き込むと、より遠くの銀河が同様の数で現れているのが見えました。これは、宇宙が均質で、物質が全体に滑らかに散らばっていることを示唆しています。 (膨張する宇宙は、銀河が果物のかけらのように均等に広がった上昇するフルーツケーキと考えてください。銀河の間のバッターが膨張するにつれて、それぞれが隣接する銀河から離れて飛んでいきます。)
さらに、異なる方向に向けられた望遠鏡は、すべて同じようなシーンを見てきました。物質はすべての視線に沿って均等に分布しており、宇宙が「等方性」であることを示しています。
宇宙の均一性と等方性により、分析が簡単になります。
理論家は、アルバート アインシュタインの重力理論である一般相対性理論に主に基づく標準的な理論モデルを使用して、宇宙の過去を再構築し、その未来を予測します。アインシュタインの理論は、宇宙の曲がりくねった構造である物質と時空の間の相互作用を説明しています。しかし、アインシュタインの扱いには、相互に関連する 10 個の方程式と 20 個の変数が含まれており、一般的に複雑すぎて解くことができない方程式系です。
宇宙論者は、宇宙原理に頼って、滑らかで対称的な流体として機能する宇宙に焦点を絞ります。銀河のような物質の隆起を無視し、宇宙が 3 つの軸すべてに沿って同じように膨張することを要求することにより、宇宙原理は方程式の一部を削除し、いくつかの変数をリンクして、方程式系を劇的に単純化します。理論家は、宇宙の膨張の速度と加速度を 2 つの方程式だけで予測できます。フリードマン方程式は、1922 年にロシアの宇宙学者アレクサンダー フリードマンがアインシュタインの方程式から導き出したものです。地球の体積を計算するのと少し似ています。すべての山と峡谷、または地球を球体と仮定して 1 日と呼ぶこともできます。
しかし、天文学者が宇宙をより正確にマッピングするにつれて、一部の研究者は、フィールドが宇宙論の原理を押し出しすぎているのではないかと考え始めています.結局のところ、地球は球体ではありません。赤道で膨らんでいます。同様に、大きな構造や偏った特徴は、宇宙の年齢、挙動、組成に関する結論を損なう可能性があります.
フランスのクロード・ベルナール大学リヨン第 1 校の宇宙学者である Thomas Buchert は、フリードマンの単調な宇宙を超えて移動する時が来たと確信するようになった人々の 1 人です。 「この標準モデルがまだ生きているのは不思議だ」と彼は言った.
どこにでもある銀河
ジャイアント アークやその他の巨大な構造物は、宇宙原理の最初の柱である均一性に突き当たります。
宇宙は人間のスケールでは明らかに均一ではありません。ここから 1 光年離れた場所に人をテレポートさせると、彼らの一日が台無しになります。しかし、ハッブル宇宙望遠鏡を宇宙の途中に落とすと、おなじみの銀河で満たされた画像が返されます。このように、宇宙原理は、宇宙を膨らませる風船の中の空気のように扱います。間近で見ると、分子が複雑に混ざり合っています。しかし遠くから見ると、刺激の少ない気体は、圧力や温度などのバルク特性が着実に変化しながら膨張します。
銀河の調査では、差し渡しが数億光年を超える空間のどのパッチにも、ほぼ同じ量の物質が含まれていることがわかっています。そのため、何十億光年にも及ぶジャイアント アークのような構造は、普通の気球の厚い空気の塊と同じくらい予想外です。
これらの構造の最初の 1 つは 2013 年に特定されました。40 億光年にわたって分布するクエーサーとして知られる輝かしい銀河コアの推定グループであり、その発見者は「宇宙論的原理の仮定に挑戦する」と書いています。
他の人はほとんど確信していませんでした。 UCL の宇宙論者であるナダサーは、ランダム性だけでメガストラクチャーの錯覚を生み出すことができるかどうかを調べようと試みました。彼は、銀河が完全に無計画に散らばったデジタル宇宙をシミュレートしました。それにもかかわらず、彼が滑らかなシミュレーションでクラスター ハンティング プログラムを緩く設定したとき、クエーサー グループと同じくらい大きなパターンを純粋に偶然に選び出しました。シミュレートされた標準モデルの宇宙 (重力が銀河をグループに引き寄せる) には、さらに壮大な銀河のグループが含まれます。ナダサーの研究は、宇宙論の原理には、クエーサー グループ、ジャイアント アーク、およびそれらの同類の他のグループのための十分な余地があることを示唆しています。巨大な構造物はまれだと彼は言ったが、標準モデルは「あらゆる規模で確率がゼロであるとは言っていない」
ナダサーによれば、不均一性のより説得力のある観察は、より大きなスケールで見ると、物質がある程度の塊を維持するという発見であろう.しかし、これまでの研究では、ズームアウトすると宇宙が滑らかになることが一貫してわかっています。
デューラーと他の宇宙論者は、一見不可能に見える構造はおそらく平凡な統計で説明できることに同意しています。 「非常に多くの観測を行うと、統計的にあまりありそうにないものもあるでしょう」と彼女は言いました。 「私はそれらについてあまり心配していません。」
方向のない宇宙
宇宙が均一であっても、何か特別な方向、つまり「異方性」を特定することができます。そのような宇宙では、物質の大きな流れがそよ風のようにその方向に流れるかもしれません。何人かの宇宙学者は、これが起こっているかもしれないと考えています.
あらゆる種類の宇宙の流れに対する強力な証拠は、ビッグバンの残光から得られます。天文学者は、この「宇宙マイクロ波背景放射」(CMB) があらゆる方向で絶対零度より 2.725 度高い本質的に同一の平均温度を持っていると判断しました。
しかし、その温度を計算するために、研究者はわずかな不均衡を補正します。CMB は、みずがめ座に向かってわずか 1 度暖かく、反対方向ではわずか 1 度低く見えます。
ほとんどすべての宇宙論者は、この観測結果を、「特異な速度」として知られる太陽系自体の運動の結果であると解釈しています。太陽は天の川の中心を周回し、天の川は近くの銀河に向かって移動するため、太陽系はCMBの背景に対して毎秒約300キロメートルでドリフトし、入ってくるマイクロ波を歪めます.この局所的なドリフトは、宇宙原理の問題とは見なされません。
しかし、私たちの特異な速度は、CMB の知覚された偏りを完全には説明できないかもしれません。歪みには、宇宙全体の漂流の影響も含まれる可能性があります。この場合、遠方の銀河に対する運動を測定すると、CMB に対して速度を測定する場合とは異なる結果が得られます。これらの銀河も移動するからです。電車に乗って、山脈や地平線上の雲に対して速度を測定することを想像してみてください。速度が一致しない場合は、雲が山を越えて流れているに違いありません。
いくつかのチームが遠方の銀河に対してそのような測定を試み、明らかな異常を発見しました。最近の取り組みの 1 つで、研究者は 100 万個を超える遠方のクエーサーに対する私たちの動きを計算しました。彼らは、CMB の不均衡と一致する光学的歪みを観察しましたが、2 倍の大きさでした。 1 つの解釈は、地球はクエーサーに対して毎秒約 600 キロメートルでドリフトするというもので、これはクエーサーが CMB に逆らって移動している可能性があることを意味します。
オックスフォード大学の宇宙学者で、計算を行ったグループのメンバーである Subir Sarkar は、この不一致を、標準モデルとその等方性宇宙の仮定に対する「ボディ ブロー」と呼びました。彼は、物質の巨大な雲が観測可能な宇宙の外にあり、すべてをそこに引きずり込んでいるという推測を指摘しました。 （ビッグバン以来、光が私たちに到達するのに時間がかかった宇宙の球状の体積しか観察できません。） 「もしかしたら怪物が潜んでいるかもしれない」それは宇宙の最初の瞬間の有力な理論を覆すことになり、その宇宙は指数関数的に膨張し、私たちの観測可能なパッチをはるかに超えて滑らかで平らになる.
しかし、ほとんどの宇宙論者は、クエーサーが異常な宇宙であることを証明することに懐疑的です。この記事のためにインタビューした何人かの研究者は、クエーサーの不均一な分布などのさまざまな技術的課題により、クエーサーを CMB と比較することは困難であると述べました。オーストラリアのクイーンズランド大学の天体物理学者であるタマラ・デイビス氏は、「これらの研究はかなり難しいものです。」と述べています。
Durrer は、クェーサーの証拠は決定的ではないと呼び、心を開いていると言います。彼女は最近、私たちの動きが遠方の銀河の外観を微調整するさまざまな方法を組み合わせた代替テストを考案しました。彼女と彼女の同僚は、彼らの技術を使用して、次世代の天文台がわずか数パーセントの差の特異な速度を検出できるようになり、この 10 年間で等方性と宇宙原理の正確なテストが可能になると計算しました。彼らは 11 月初旬に新しいアプローチを公開しました。
「これは解決できるでしょう」とデューラーは言いました。
バックグラウンドからの脱出
宇宙の観測が鋭くなっていることに対応するために、多くの理論家は、標準モデルの計算に、さまざまな山脈を含めることで地球の体積の推定を改善するのと同様に、滑らかな流体に物質の適度な波紋を組み込みます。 「あなたは再び人生を複雑にしますが、制御された方法で複雑さを追加します」とナダサーは言いました.
しかし、フランスの宇宙学者であるブシャールのように、宇宙はどこでも同じであるという仮定から完全に逸脱したいと考える人もいます。そのために、ブッチャートは何十年もかけて「背景のない」宇宙論モデルを開発してきました。
アインシュタインの一般相対性理論は、距離と動きを測定するための固定されたステージである背景の古典的な概念を破壊しました。代わりに、俳優が通り過ぎた後に劇場のカーテンが揺れるように、時空の曲線が問題の周りにあるため、劇のアクションを追うのが難しくなることがあります.標準モデルは時空を少し曲げますが、宇宙原理を使用して曲線を小さく保ち、膨張率を均一に保ちます。このようにして、背景の概念を復元して計算を実行可能にします。
ブッチャートの作品は、普遍的な背景を排除しています。代わりに、彼は宇宙を大きな塊に分割し、各領域の物質の量 (および結果として生じる時空の曲がり) を平均化します。次に、平均を、そのチャンク内で発生するイベントを解釈するための局所的な背景として扱います。これは、予期しない結果をもたらしたアプローチです.
1998 年、遠方の超新星を観察した天体物理学者は、時間の経過とともに宇宙がより速く膨張しているように見えると判断しました。ノーベル賞を受賞した彼らの観測は、暗黒エネルギーと呼ばれる何らかの反発エネルギー (おそらく宇宙自体のエネルギー) が、重力が銀河を引き寄せるよりも強力に銀河を互いに引き離していることを暗示していました.
Buchert のバックグラウンドフリーのアプローチは、別の可能性を提起しました。銀河の小さくて密集したパッチと比較して、宇宙の空の「ボイド」は、重力で引き付け合って減速する銀河が少ないため、急速に拡大します。空の部分は密な部分よりも速く成長するため、宇宙はより空になります。そのため、全体の拡張率が大きくなります。 Buchert は、逆反応と呼ばれるこの効果が、暗黒エネルギーを必要とせずに宇宙加速を説明できると主張している.
他の宇宙論者は、バックグラウンドフリーの処理は数学的に妥当であり、逆反応は現実のものであることに同意しています.しかし、それは暗黒エネルギーを殺すのに十分な効果があるのでしょうか?この疑問が、デュラーと彼女の同僚が 2019 年に大規模なシミュレーションを行う動機となりました。彼らは数千億の銀河が存在するデジタル ユニバースを準備し、ボイドと銀河団の膨張率の違いが、ランダムに配置された天文学者に向かう光線にどのように影響するかを計算しました。 .彼らは、逆反応が宇宙の膨張率の天文学者の測定値を約2％ずらすことを発見しました。言い換えれば、標準モデルは宇宙の加速膨張を 98% 正確に予測しており、逆反応は暗黒エネルギーを説明するのに苦労しています.
「現在のコンセンサスは、最終的に大きな問題を引き起こさない小さな影響であるということです」とナダサーは言いました.
しかし、その 2% はまだ重要であることが証明される可能性があります。 Durrer は、逆反応が増大する宇宙論的危機の解決に役立つかどうかを調査しています。ハッブル張力として知られる危機は、近くの宇宙が標準モデルが予測する宇宙全体の膨張率よりも約 9% 速く膨張しているように見えることです。宇宙の過激な新成分など、多くの説明が浮かんでいます。しかしブッチャートは昨年、大雑把な宇宙論的原理が明らかな不一致の原因である可能性があると主張した.でこぼこの宇宙では、より空のパッチが平均よりも速く拡大すると予想されます.
デューラーは、逆反応の影響をシミュレートして、このような空の広大な空間の真ん中に着陸できた可能性を計算しています。 「加速膨張を説明するのに [反作用] が十分でないとしても、ハッブル張力を解決するにはわずかに十分かもしれません」と彼女は言いましたが、それが完全な答えを提供するとは思っていません.
恵まれたロケーション
ハッブル張力が部分的に逆反応によって誘発された蜃気楼であることが判明した場合、それは宇宙の理解を助けるどころか、妨げている宇宙論的原理の最初の主要な例となる.しかし今のところ、研究者によると、この原理の予測力はかなりうまく機能しているようです。
「宇宙はどこでも本当に均一で等方性ですか？現時点で私たちの知る限りでは、そうです」とナダサーは言いました。
結局のところ、私たちはユニークな場所、つまり今ここにいるため、宇宙全体について壮大な推論を行うことは困難です.望遠鏡は遠くまでしか見ることができないため、銀河が視界の限界に向かって動き出しているように見えます。そして、天文学者が過去をより遠く、より深く見つめるにつれて、初期の宇宙の銀河が現在とは異なる振る舞いをしているのが見えてきます。私たちの特異な視点のアーティファクトは、宇宙原理自体の失敗と簡単に間違われます.
「あなたを台無しにする可能性のあるほとんどすべての効果は、そのように機能します」とハウエルは言いました. 「それはすべて、私たちが宇宙で見晴らしの良い場所を 1 つしか持っていないからです。」
訂正: 2021 年 12 月 13 日
この記事はもともと、バックリアクションとして知られる効果に名前を付けた Thomas Buchert の功績によるものです。実際、彼は、以前に知られていたこの効果が、宇宙の加速膨張を説明できると主張しています.
