幼児宇宙の解明:宇宙マイクロ波背景放射からの新たな洞察

時計を宇宙の始まりまで巻き戻すことを想像してみてください。何が見えますか？ハッブルが捉えたきらびやかな銀河ではなく、原始の濃い霧に包まれた宇宙。この古代の過去を覗くには、宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) を調べる必要があります。これは、存在する最古の光であり、ビッグバンによって残されたかすかな残光です。

ビッグバンから約 38 万年後、宇宙は不透明で沸騰するプラズマから透明な空間に移行し、この光が初めて自由に移動できるようになりました。その中にエンコードされているのは、宇宙の最も初期の構造の痕跡、つまり最終的に最初の原子を形成し、その後の銀河、星、惑星の種となる微妙な波紋です。

現在、アタカマ宇宙望遠鏡 (ACT) を使って研究している研究者たちは、おそらくこの初期の時代で最も鮮明な写真を公開しました。そしてそれによって、科学者たちは、宇宙がどのようにして火の玉から今日見られる広大な宇宙構造に成長したかについて、ますます正確な歴史をつなぎ合わせています。

生まれたばかりの宇宙

ビッグバン後の最初の数十万年の間、宇宙は本質的に不透明でした。そこは、光が自由に伝播できないほど高温の原始プラズマで満たされていました。つまり、当時は光がなかったため、宇宙を「見る」ことはできませんでした。 CMB を使用できるのは、これらの初期段階を研究する場合のみです。事実上、宇宙の赤ちゃんの写真は CMB マップです。

何十年にもわたって、COBE、WMAP、プランクなどの衛星ミッションは、この古代の放射線の地図を作成してきました。しかし、ACT のような地上実験には別の強みがあります。それは、より小さなスケールでより高い解像度が得られるということです。

「私たちは、最も初期の星や銀河の作製に向けた第一歩を踏み出しつつあります」と、ACT 所長でプリンストン大学物理学教授のヘンリー・デウルフ・スミス教授であるスザンヌ・スタッグス氏は語ります。 「そして、私たちは単に明暗を見ているだけではなく、光の偏光を高解像度で見ているのです。これが、ACT をプランクや他の初期の望遠鏡と区別する決定的な要素です。」

空全体を調査したプランクとは異なり、ACT はより細かい部分に焦点を当てています。ただし、ACT はプランクよりも 5 倍優れた分解能を備えており、微弱な信号も視認できます。

「以前は、物がどこにあるかを確認できましたが、今ではそれらがどのように動いているかも確認できます」とスタッグス氏は言います。 「潮汐を利用して月の存在を推測するのと同じように、光の偏光によって追跡される動きは、宇宙のさまざまな部分での重力の引力がどれほど強かったかを教えてくれます。」

この地図が教えてくれること

この初期の地図は、若い宇宙を満たしていたガスの密度と速度を非常に明確に示しています。これは非常に正確であるため、宇宙がどのように進化したかのモデルを精緻化するために使用することもできます。新しい結果は、ΛCDM (ラムダ コールド ダーク マター) モデルと呼ばれるより単純なモデルを裏付け、競合するモデルの大部分を排除します。

ΛCDM モデルによると、宇宙は通常の物質 (星、惑星、ガス)、暗黒物質 (銀河を形成する目に見えない物質)、および暗黒エネルギー (宇宙を時間の経過とともにより速く膨張させる神秘的な力) で構成されています。 「Λ」（ラムダ）は暗黒エネルギーを表し、「CDM」は光の速度に比べてゆっくりと移動する冷たい暗黒物質を表します。

このモデルによると、宇宙はビッグバンで始まり、急速に膨張し、数十億年にわたって重力によって物質が引き寄せられ、銀河、星、惑星が形成されました。宇宙の成り立ちを予測することに成功したにもかかわらず、いくつかの謎が残されています。まず第一に、暗黒物質と暗黒エネルギーが実際に何であるかはわかりません。 。私たちはその影響を見ることはできますが、それを見たり、その性質を理解したりすることはできません。

次に「ハッブル張力」です。これは宇宙の膨張速度を指し、ハッブル定数と呼ばれる値です。この値は測定方法によって異なるようですが、異なるはずはありません。

近くの銀河の動きを利用してハッブル定数を測定すると、最終的に 1 メガパーセクあたり 1 秒あたり 73 ～ 74 キロメートル (km/s/Mpc) という値が得られます。つまり、宇宙はメガパーセク（326万光年）あたり毎秒73〜74キロメートルの速度で膨張します。しかし、CMB で測定すると、67 ～ 68 km/s/Mpc という値になります。

この 5 km/s/Mpc の不一致は、小さいながらも統計的に有意であり、新たな物理学が関与しているのではないかという憶測が高まっています。一部の理論家は、新しいニュートリノ種、初期の暗黒エネルギー、重力の修正など、風変わりな解決策を提案しています。この新しい地図は以前の CMB 測定結果を裏付けていますが、この不一致の原因についてはまだ結論が出ていません。

「より高い値を裏付ける部分的な証拠さえ見つからなかったのは、私たちにとって少し驚きでした」とスタッグス氏は言います。 「緊張を説明する証拠が見つかるかもしれないと考えた領域がいくつかありましたが、それらはデータには存在しませんでした。」

宇宙の重さを量る

新生児の体重を測定せずに赤ちゃんの写真を撮ることはできません。これは研究者がここで行ったことでもあります。

CMB の光が巨大な構造によってどのように微妙に曲げられるかを分析することで、彼らは宇宙に存在するバリオン (通常) 物質、冷たい暗黒物質、暗黒エネルギーの総量を計算しました。

またしても、彼らの結果は ΛCDM モデルの構成を裏付けています。彼らの結果によると、宇宙は次のものからできています。

• 通常の物質は約 5%。これは、私たちが通常「物質」と呼ぶものすべてであり、すべての星や惑星、そしてその間にあるすべてのものです。
• 暗黒物質 27%。光やその他の電磁放射と相互作用しない、目に見えない仮想的な物質の形態
• 68% はダーク エネルギー。宇宙をより速く膨張させる、目に見えない仮想的な物質の形態

カーディフ大学の天体物理学教授で、今回の論文の筆頭著者でもあるエルミニア・カラブレーゼ氏は、「観測可能な宇宙は、私たちから全方位に約500億光年広がっており、1,900個の『ゼッタ太陽』、つまりほぼ2兆個もの太陽が含まれていることが、より正確に測定されました。これらの1,900個のゼッタ太陽のうち、通常の物質の質量は、私たちが観測できる種類のものです」と述べています。見て測定してください。それらはわずか 100 個です。さらに 500 個の質量のゼッタ太陽は謎の暗黒物質であり、1,300 個に相当するものは、空の空間を支配する真空エネルギー (暗黒エネルギーとも呼ばれます) です。

この「通常の」物質のうち、質量の 4 分の 3 は水素、ほぼ 4 分の 1 はヘリウムです。それ以外のもの（あなたや私を構成する酸素、炭素、その他すべての元素）は、この物質の約 2% しか占めません。

「宇宙のヘリウムのほぼすべては、宇宙時間の最初の 3 分間に生成されました」と、パリ サクレー大学 IJCLab の CNRS 研究者であり、新しい論文の筆頭著者の 1 人であるティボー・ルイ氏は述べています。 「その存在量に関する私たちの新しい測定結果は、理論モデルおよび銀河での観測と非常によく一致しています。」

新しいデータはまた、宇宙の年齢が 138 億年であり、不確実性はわずか 0.1% であることを裏付けています。

CMB フォームの前に何か奇妙なことが起こりましたか?

CMB は若い宇宙について多くのことを教えてくれます。ビッグバンから 38 万年後、光が宇宙を伝播し始め、何が起こったのかを観察できる可能性が高まりました。しかし、ビッグバンから 38 万年の間に起こったすべてのことについて、宇宙は本質的に観察できず、高密度のプラズマの陰に隠されていました。

研究者の中には、その非常に初期の時期に何らかの「奇妙な物理学」が起こったのではないかと疑う人もいます。

仮説の 1 つは、CMB が形成される前に一時的に宇宙の膨張を促進した可能性がある神秘的な力である「初期の暗黒エネルギー」に関するものです。もしこれが本当であれば、これは現在進行中のハッブル定常張力の説明に役立つ可能性があります。なぜ初期宇宙が現代の測定が示唆するよりも遅い膨張率を予測しているように見えるのかを説明するのに役立ちます。

「若い宇宙は、現在の大きさに達するために、より急速に膨張しなければならなかったでしょう。そして、私たちが測定した画像は、より近くから私たちに届いているように見えます」と、ペンシルバニア大学のリース・W・フラワー天文学教授であり、ACTの副所長であるマーク・デブリンは説明する。 「その場合、顔の近くに持った定規が腕を伸ばして持った定規よりも大きく見えるのと同じように、画像内の波紋の見かけの範囲はより大きくなります。」

今のところ、私たちには答えがありません。アタカマ宇宙望遠鏡は、これまでで最も鮮明な初期宇宙の画像の 1 つを提供しましたが、それが最終的なものではありません。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST)、シモンズ天文台、将来の CMB ミッションなどの次世代実験は、さらに前進するでしょう。科学者たちは、偶数の時代からの信号を検出し、最終的には宇宙論における最大の疑問の 1 つである「宇宙の最初の数秒で実際に何が起こったのか?」に答えることを望んでいます。

その質問に答えたときのみ、私たちは宇宙を理解していると真に主張できるのです。

結果は 3 つの論文で発表されました。

• CMB マップ:Næss、Guan、Duivenvoorden、Hassellfield、Wang 他、2025 年
• CMB パワー スペクトルと LCDM へのフィッティング:Louis、La Posta、Atkins、Jense et al、2025
• LCDM の拡張に関する制約:Calabrese、Hill、Jense、La Posta 他、2025 年