宇宙論の危機:新しい物理学が地平線上にある可能性があるか?

ここ数年、一連の論争が確立された宇宙論の分野を揺るがしている。一言で言えば、宇宙の標準モデルの予測は、最近の観測結果と矛盾しているようです。

これらの観測には偏りがあるのではないか、あるいは宇宙全体の構造と進化を予測する宇宙論モデルは再考する必要があるのではないかについて、激しい議論が交わされている。宇宙論は危機に瀕していると主張する人さえいます。現時点ではどちらが勝つかわかりません。しかし、興味深いことに、私たちはそれを発見する瀬戸際にいます。

公平を期すために言うと、論争は科学的手法の正常な過程にすぎません。そして長年にわたって、標準的な宇宙論モデルもその役割を担ってきました。このモデルは、宇宙が 68.3% の「暗黒エネルギー」（宇宙の膨張を加速させる未知の物質）、26.8% の暗黒物質（未知の形態の物質）、および 4.9% の通常の原子で構成されていることを示唆しています。これらの原子は、宇宙マイクロ波背景放射 (ビッグバンからの放射線の残光) から非常に正確に測定されます。

この記事はシリーズ「宇宙論の危機?」の一部です。これは、今日宇宙論者が直面している最大の問題を明らかにし、 それらを解決することの意味について議論します。

それは、宇宙の大規模と小規模の両方にわたる多数のデータを非常にうまく説明します。たとえば、私たちの周りの銀河の分布や、宇宙の最初の数分間に作られたヘリウムと重水素の量などを説明できます。おそらく最も重要なことは、宇宙マイクロ波背景放射も完全に説明できるということです。

これにより、「一致モデル」としての評判が高まりました。しかし、一貫性のない測定値の完璧な嵐、または宇宙論で知られる「緊張」により、現在、この長年のモデルの妥当性が疑問視されています。

不快な緊張

標準モデルは、暗黒エネルギーと暗黒物質の性質について特別な仮定を立てています。しかし、数十年にわたる熱心な観察にも関わらず、暗黒物質と暗黒エネルギーが何でできているかの解明にはまだ近づいていないようです。

リトマス試験紙はいわゆるハッブル張力です。これは、現時点での宇宙の膨張率であるハッブル定数に関係しています。私たちの近くのローカル宇宙で、近くの銀河にあるセファイドと呼ばれる脈動する星までの距離から測定すると、その値は 73 km/s/メガ パーセクになります (Mpc は銀河間空間の距離の単位です)。ただし、理論的に予測すると、その値は 67.4 km/s/Mpc になります。その差は大きくないかもしれません (わずか 8%) が、統計的には有意です。

ハッブル緊張は約 10 年前に知られるようになりました。当時は、観察には偏りがあったのではないかと考えられていました。たとえば、セファイド星団は非常に明るくて見やすいですが、他の星と一緒に密集しているため、さらに明るく見えた可能性があります。これにより、ハッブル定数がモデル予測と比較して数パーセント高くなり、人為的に緊張が生じた可能性があります。

星を個別に分離できるジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の出現により、この緊張に対する答えが得られることが期待されました。

残念なことに、これはまだ起こっていません。天文学者は現在、セファイド星団以外に他の 2 種類の星 (赤色巨星枝先端星 (TRGB) および J 領域漸近巨星枝 (JAGB) 星として知られています) を使用しています。しかし、あるグループはJAGBとTRGB星からの値が宇宙論モデルから予想される値に興味をそそられるほど近いと報告したが、別のグループは観測にはまだ矛盾があると主張した。その間、セファイドの測定は引き続きハッブル張力を示しています。

これらの測定は非常に正確ですが、各タイプの測定に固有に関連付けられた影響によってバイアスがかかる可能性があることに注意することが重要です。これは、星の種類ごとに異なる方法で観測の精度に影響します。正確ではあるが不正確な測定は、常に要点を外している人と会話しようとするようなものです。矛盾するデータ間の不一致を解決するには、正確かつ正確な測定が必要です。

良いニュースは、ハッブル緊張が現在急速に発展しているということです。おそらく、来年かそこら中にその答えが見つかるでしょう。たとえば、より遠くの銀河からの星を含めることによってデータの精度を向上させることは、この問題を解決するのに役立ちます。同様に、重力波として知られる時空の波紋の測定も、定数を特定するのに役立ちます。

これはすべて、標準モデルの正当性を証明するものかもしれません。あるいは、何かが欠けていることを示唆しているかもしれません。おそらく、暗黒物質の性質や特定のスケールでの重力の振る舞いは、私たちが現在信じているものとは異なっているのでしょう。しかし、このモデルを軽視する前に、その比類のない精度に驚かなければなりません。 130 億年以上の進化を推定しながら、最大でも数パーセントの的外れにすぎません。

大局的に考えると、太陽系の惑星の時計仕掛けの動きでさえ、信頼性を持って計算できるのは 10 億年未満であり、その後は予測できなくなります。標準的な宇宙モデルは並外れた機械です。

宇宙論にとって問題となるのはハッブル張力だけではありません。同じ規模ではないものの、「S8 テンション」として知られるもう 1 つのテンションも問題を引き起こしています。ここで、モデルには滑らかさの問題があり、宇宙内の物質は実際に観察されているよりも約 10% 密集しているはずだと予測されています。物質の「塊度」を測定するにはさまざまな方法があります。たとえば、視線に沿って介在すると想定される暗黒物質によって生成される、銀河からの光の歪みを分析することによって行われます。

現在、コミュニティでは、宇宙論的モデルを除外する前に観測の不確実性を取り除く必要があるということでコンセンサスが得られているようです。この緊張を和らげる考えられる方法の 1 つは、銀河内のガス風の役割をより深く理解することです。ガス風の役割は、物質の一部を押し出し、銀河をより滑らかにすることができます。

小さなスケールでの凝集塊の測定値が、より大きなスケールでの凝集塊の測定値とどのように関係するかを理解することは役立ちます。観測結果は、暗黒物質のモデル化方法を変更する必要があることを示唆している可能性もあります。たとえば、標準モデルが想定しているように、完全に冷たくて動きの遅い粒子でできているのではなく、暗黒物質が熱くて動きの速い粒子と混合している可能性があります。これにより、宇宙時代後期における塊状の成長が遅くなり、S8 の緊張が緩和される可能性があります。

JWST は、標準モデルに対する他の課題を強調しました。そのうちの 1 つは、初期の銀河が予想よりもはるかに巨大であるように見えることです。一部の銀河は、ビッグバンから 10 億年も経たないうちに形成されたにもかかわらず、今日の天の川銀河と同じ重さである可能性があり、銀河の質量はそれほど大きくないはずであることを示唆しています。

ただし、これらの驚くべき結果には他の考えられる説明がある可能性があるため、この場合、宇宙論的モデルに対する影響はそれほど明らかではありません。この問題を解決する鍵は、銀河内の恒星質量の測定を改善することです。これらの質量を直接測定することは不可能ですが、その代わりに、銀河が発する光からこれらの質量を推測します。

このステップにはいくつかの単純化された仮定が含まれており、質量を過大評価する可能性があります。最近、これらの銀河の星に起因すると考えられる光の一部は強力なブラックホールによって生成されているとも主張されています。これは、これらの銀河が結局それほど大きくない可能性があることを意味します。

代替理論

それで、私たちは今どこに立っているのでしょうか？いくつかの緊張は、より多くのより良い観測によってすぐに説明されるかもしれませんが、宇宙論モデルを襲うすべての課題が解決されるかどうかはまだ明らかではありません。

ただし、モデルを修正する方法に関する理論的なアイデアには事欠きませんでしたが、おそらく多すぎて、数百の範囲であり、さらに数え切れないほどです。それらすべてを調査したい理論家にとって、これは困難な作業です。

可能性はたくさんあります。おそらく、私たちはダークエネルギーの性質についての仮定を変える必要があるでしょう。おそらく、これは時間とともに変化するパラメーターであり、最近のいくつかの測定結果が示唆しています。あるいは、初期または逆に、宇宙の膨張を促進するために、モデルにさらに多くの暗黒エネルギーを追加する必要があるかもしれません。宇宙の大規模なスケールで重力がどのように動作するかを変更すること（修正ニュートン力学 (MOND) と呼ばれるモデルで行われる方法とは異なります）もオプションになる可能性があります。

しかし今のところ、これらの代替案のどれも、標準モデルが説明できる膨大な数の観測を説明できません。さらに心配なのは、ある緊張を和らげるものもあれば、他の緊張を悪化させるものもあります。

現在、宇宙論の最も基本的な教義にさえ挑戦するあらゆる種類のアイデアへの扉が開かれています。たとえば、宇宙は非常に大きなスケールでは「均質かつ等方性」であるという仮定を放棄する必要があるかもしれません。これは、すべての観察者にとって宇宙は全方向で同じに見え、宇宙には特別な点が存在しないことを意味します。一般相対性理論の変更を提案する人もいます。

トリックスター宇宙を想像する人もいます。それは、私たちと一緒に観察行為に参加したり、私たちが見るかどうかに応じてその外観を変えるものです。原子や粒子の量子世界で起こることは私たちが知っていることです。

やがて、これらのアイデアの多くは理論家の好奇心の棚に追いやられることになるでしょう。しかしそれまでの間、それらは「新しい物理学」をテストするための肥沃な土壌を提供します。

これは良いことです。こうした緊張に対する答えは、間違いなくさらなるデータから得られるでしょう。今後数年間で、特に JWST、暗黒エネルギー分光装置 (DESI)、ベラ ルービン天文台、ユークリッドなどの実験による観測結果を強力に組み合わせることで、私たちが長年探し求めていた答えを見つけることができるでしょう。

一方で、より正確なデータと測定値の体系的な不確かさの理解が深まれば、標準モデルの安心できる快適さに戻ることができるかもしれません。過去の問題から、このモデルは正当化されるだけでなく強化される可能性があり、宇宙論は精密かつ正確な科学となるでしょう。

しかし、バランスが逆に傾くと、私たちは未知の領域に導かれ、そこで新しい物理学を発見する必要があります。これは、1990 年代後半の宇宙の加速膨張の発見に似た、宇宙論における大きなパラダイムシフトにつながる可能性があります。しかし、この道において、私たちは、宇宙の未解決の大きな謎の 2 つである、暗黒エネルギーと暗黒物質の性質をきっぱりと考慮しなければならないかもしれません。

Andreea Font、理論天体物理学のリーダー、リバプール ジョン ムーア大学

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