宇宙論のブレークスルー:宇宙は私たちが思っているよりも滑らかですか?

宇宙がどれほど計り知れないほど大きいかを考えると、私たちがまだそのすべての秘密を解明していないことはおそらく理解できるでしょう。しかし、実際には、かなり基本的な特徴がいくつかあり、以前は説明できると考えられていましたが、宇宙論者が理解するのにますます苦労しています。

宇宙における物質の分布 (いわゆる大規模構造) の最近の測定は、宇宙がどのように機能するかについて私たちが最もよく理解している宇宙論の標準モデルの予測と矛盾しているようです。

標準モデルは約 25 年前に誕生し、大量の観測結果を完全に再現することに成功しました。しかし、私が取り組んでいるテーマである大規模構造の最新の測定のいくつかは、その物質が標準モデルに従ってあるべきよりもクラスター化されていない（滑らかである）ことを示しています。

この結果について、宇宙論学者たちは説明を求めて頭を悩ませている。いくつかの解決策は、測定における未知の系統誤差など、比較的ありふれたものです。しかし、もっと抜本的な解決策もあります。これには、ダーク エネルギー (宇宙の膨張を加速させる力) の性質を再考すること、新しい自然の力を呼び起こすこと、さらにはアインシュタインの重力理論を最大規模で微調整することも含まれます。

現時点では、データでは競合するさまざまなアイデアを簡単に区別できません。しかし、今後の調​​査で得られる測定値の精度は大きく前進する予定です。私たちは宇宙論の標準モデルをついに破ろうとしているのかもしれません。

初期の宇宙

現在の緊張の性質とその考えられる解決策を理解するには、宇宙の構造がどのように形成され、その後進化したのかを理解することが重要です。私たちの理解の多くは、宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) の測定から得られます。 CMB は宇宙を満たす放射線であり、ビッグバン後の最初の数十万年間の宇宙進化の名残です (比較のために、宇宙の年齢は 137 億年と推定されています)。

科学者たちは 1964 年に偶然 CMB を発見しましたが (ノーベル賞を受賞しました)、その存在と特性は何年も前から予測されていました。

初期の理論研究の一部と見事に一致し、今日の CMB の観測温度は信じられないほど寒い 3 ケルビン (-270°C) です。しかし、非常に初期の段階では、ヘリウムやリチウムを含む宇宙のすべての軽い元素をより重い元素に融合させるのに十分な高温 (数百万度) がありました。

CMB のスペクトル (波長ごとに分解された光) は、CMB が過去に物質と熱平衡状態にあったに違いないことを示唆しています。これは、それらが同じエネルギー分布を持っていたことを意味します。物質と放射線は、非常に高密度の環境でのみ熱平衡に達することができます。したがって、CMB の測定は、宇宙がかつては非常に高温で高密度の場所であり、すべての物質と放射線が非常に狭い空間に詰め込まれていたことを説得力をもって示しています。

宇宙が膨張するにつれて、急速に冷却されました。その際、当時存在していた自由電子の一部が陽子に捕獲され、水素原子が形成されました。この「組み換えの時代」はビッグバンから約30万年後に起こりました。この時点以降、宇宙の密度は突然低下したため、CMB 放射線は障害なく移動できるように「放出」され、それ以来物質と大きな相互作用はありませんでした。

この放射線は非常に古いものであるため、今日CMBの測定を行うと、初期宇宙の状態について知ることになります。しかし、CMB の詳細なマッピングからは、これよりもさらに多くのことがわかります。

プランク望遠鏡で得られた CMB マップからの重要な洞察は、宇宙も初期には非常に滑らかだったということです。宇宙の物質と放射線の密度と温度には、場所による差異はわずか 0.001% しかありませんでした。もしもっと極端な変動があったなら、その物質と放射線はさらに集中していただろう。

これらの変動、つまり「変動」は、その後宇宙で構造がどのように進化したかにとって根本的に重要です。これらの変動がなければ、銀河も星も惑星も生命も存在しないでしょう。非常に興味深い疑問は、これらの変動がどこから来たのかということです。

私たちの現在の理解では、それらは量子力学、つまり原子と粒子の小宇宙の理論の結果であるということです。量子力学は、何もない空間には背景エネルギーがあり、粒子が突然現れたり消えたりするなど、突然の局所的な変化を可能にすることが示されています。物質とエネルギーの量子的性質は、実験室で驚くべき精度で検証されています。

これらの変動は、「インフレーション」と呼ばれる宇宙初期の非常に急速な膨張期に大規模に拡大されたと考えられていますが、インフレーションの背後にある詳細なメカニズムはまだ完全には理解されていません。

時間が経つにつれて、これらの変動は大きくなり、宇宙における物質と放射線の配置はより密集するようになりました。わずかに密度が高い領域は重力が強いため、さらに多くの物質を引き寄せ、密度が増加し、重力が強化されるという具合です。密度がわずかに低い地域は失われ、時間の経過とともに空っぽになっていきました。これは、裕福な人々はさらに裕福になり、貧しい人々はさらに貧しくなるという宇宙的な例です。

変動は時間の経過とともに非常に大きくなり、銀河や星が形成され始め、銀河は「宇宙の網」を構成するよく知られたフィラメントやノードの中やそれに沿って分布しました。

標準的な説明

時間の経過とともに変動が増大する速度と、変動が空間内でどのように集中するかは、重力の性質、宇宙の物質とエネルギーの構成要素、およびこれらの要素がどのように相互作用するか (それらの要素自体と相互の両方) といういくつかの要素によって異なります。

これらの要素は宇宙論の標準モデルにカプセル化されています。このモデルは、アインシュタインの一般相対性理論 (重力に関する私たちの最も優れた理解) の解決策に基づいており、宇宙は大規模なスケールでは均質かつ等方性であると想定されています。つまり、宇宙はどの観測者にとっても全方向で同じに見えるということです。

また、宇宙の物質とエネルギーは、通常の物質 (「バリオン」)、比較的重くて動きの遅い粒子からなる暗黒物質 (「冷たい」暗黒物質)、および一定量の暗黒エネルギー (アインシュタインの宇宙定数、ラムダで示される) で構成されていると仮定しています。

約 25 年前の誕生以来、このモデルは、[CMB の詳細な特性] を含む、大規模な宇宙の非常に多くの観測結果を説明することに成功しました。

また、ごく最近まで、後期の大規模構造のクラスタリングのさまざまな測定に優れた適合性を提供していました。実際、大規模構造の測定値の一部は依然として標準モデルによって非常によく記述されており、これは現在の張力の起源に関する重要な手がかりを提供している可能性があります。

CMB は初期の時点で物質のクラスター化 (変動) を示していることを思い出してください。したがって、標準モデルを使用してそれを将来に進化させ、理論的に今日どのようになるかを予測することができます。この予測と観測結果が一致する場合、それは標準モデルの成分が正しいことを強く示しています。

「S8」の緊張

最近変わったのは、大規模構造の測定、特に非常に遅い時間での測定の精度が大幅に向上したことです。ダーク エネルギー調査やキロ度調査などのさまざまな調査で、観測値と標準モデルとの間に不一致がある証拠が見つかりました。

言い換えれば、早い時間の変動と遅い時間の変動の間には不一致があり、遅い時間の変動は予想されたほど大きくありません。宇宙学者は、この衝突を「S8 張力」と呼びます。S8 は、後期宇宙における物質のクラスター化を特徴付けるために使用されるパラメーターであるためです。

特定のデータセットによっては、張力が統計上の偶然である可能性は 0.3% 程度である可能性があります。しかし、統計的な観点から見ると、これだけでは標準モデルを完全に除外するには十分ではありません。

しかし、さまざまな独立した観察には緊張の強い兆候があります。そして、測定やモデリングにおける体系的な不確実性を理由にそれを説明しようとする試みは、これまでのところまったく成功していません。

たとえば、超大質量ブラックホールからの風や噴流などの高エネルギーの非重力プロセスが、物質のクラスター化を大規模に変化させるのに十分なエネルギーを注入する可能性があると以前から示唆されていた。
しかし、我々は最先端の宇宙論的流体力学シミュレーション (フラミンゴと呼ばれる) を使用して、そのような効果が宇宙論の標準モデルで張力を説明するには小さすぎるように見えることを示しました。

張力が実際に標準モデルの欠陥を示している場合、これはモデルの基本的な要素の何かが正しくないことを意味します。

これは基礎物理学に大きな影響を与えるでしょう。たとえば、その緊張は、重力についての私たちの理解や、暗黒物質や暗黒エネルギーと呼ばれる未知の物質の性質について何かが間違っていることを示している可能性があります。暗黒物質の場合、可能性の 1 つは、未知の力 (重力だけを超えた何か) を介して暗黒物質自体と相互作用している可能性です。

あるいは、ダーク エネルギー調査装置 (Desi) の初期の結果が示すように、ダーク エネルギーは一定ではなく、時間とともに進化する可能性があります。一部の科学者は、新しい（第 5 の）自然の力の可能性を検討しています。これは、非常に大規模なスケールで作用する重力と同様の強さの力であり、構造の成長を遅らせるように作用すると考えられます。

ただし、標準モデルを変更する場合は、そのモデルがうまく説明できる宇宙の多くの観測結果も考慮する必要があることに注意してください。これは簡単な作業ではありません。そして、壮大な結論に飛びつく前に、その緊張が単なる統計的な変動ではなく、本物であることを確認する必要があります。

良いニュースは、デジ、ルービン天文台、ユークリッド、シモンズ天文台、その他の実験による今後の大規模構造の測定により、より正確な測定で張力が本物かどうかを確認できるようになるということです。

また、提案されている標準モデルの代替案の多くを徹底的にテストすることもできます。おそらく、今後数年以内に、私たちは宇宙論の標準モデルを排除し、宇宙がどのように機能するかについての理解を大きく変えることになるでしょう。あるいは、モデルの正当性が証明され、これまで以上に信頼性が高まるかもしれません。宇宙学者になるのに刺激的な時期が来ています。

Ian G. McCarthy、天体物理学の読者、リバプール ジョン ムーア大学

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