宇宙は膨張しているだけではありません。加速しています。宇宙学者が 1998 年に初めてこのことに気付いたとき、それは驚くべきことでした。物質の引力により、膨張が遅くなるはずです。しかし、これは私たちが見ているものではありません。宇宙の銀河は私たちから遠ざかっているだけでなく、より速く遠ざかっています 昨日より今日。
何が膨張を加速させているのか、私たちはそれを「暗黒エネルギー」と呼んでいます。物質とは何か、また実際に存在するものについての私たちの最良の理論は、真空エネルギーと呼ばれるものである暗黒エネルギーの候補を与えてくれます。それは、粒子がない場合でも、電磁場とそのいとこに含まれる空間領域のエネルギーです。しかし、物理学者が真空エネルギーの量を計算しようとしたとき、彼らは衝撃を受けました。答えは、観察から得られた実際の値の約 10 倍でした。これは問題です。
暗黒エネルギーが観測によって確認される前でさえ、ノーベル賞を受賞した物理学者であるスティーブン・ワインバーグは、理論上の過大評価と格闘し、驚くべき解決策を提案していました。彼は、真空エネルギーの量は、宇宙のすべての異なるフィールドがどのように加算および減算されるかに応じて、場所によって異なる可能性があることに注意しました.私たちの宇宙領域では、真空エネルギーの量はごくわずかであり、これらすべての場が信じられないほど互いに打ち消し合う必要があります。それは非常にありそうにないように思えますが、十分に大きなシステムでは、最もありそうもないイベントでさえどこかで発生します。大多数の宇宙領域では、過剰な暗黒エネルギーが、銀河、星、惑星、および人々の形成を可能にする力のバランスを崩しています。既知のフィールドと未知のフィールドの信じられないほど正確なキャンセルが見られます。それ以外の方法では存在できなかったからです。
私たちはコンピューターシミュレーションでワインバーグのアイデアをテストしており、銀河は私たちが思っていたよりも堅牢であることを発見しています.それらは、暗黒エネルギーの外的影響よりも、力の内部バランスによって制御されます。もしそれが本当なら、我々が観察する暗黒エネルギーの量は選択効果として説明できず、暗黒エネルギーの理解において振り出しに戻る.
私たちの宇宙環境は、重力と圧力、冷却と加熱、膨張と崩壊という宇宙の力の微妙なバランスの結果です。これらすべての押し引きのバランスが取れたときの最終的な産物は、私たちの天の川銀河です。そこでは、回転するガスの円盤と暗黒物質の拡散した光輪の中で星が形成されます。
銀河や星が形成される多段階プロセスを理解するために、私たちのシミュレーションでは物質を小さな塊に細分化し、重力、圧力、その他の力によって押し出されます。これらのチャンクを膨張する宇宙に配置し、互いの引力を計算します。分析しなければならない最初のバランスは、重力と膨張の間です。 1 つは素材を引き寄せ、もう 1 つは引き離します。密度が十分に高い領域では、重力が勝ちます。宇宙のこれらの部分は、近隣からさらに多くの物質を収集します。金持ちはより金持ちになり、大物はより大きくなり、最初は滑らかだった宇宙が構造を発達させます。
重力は物質を丸みを帯びた「ハロー」に集めます。これらも、今回は重力と物質のランダムで混沌とした動きとの間でバランスをとっています。このバランスを崩して銀河を形作るには、ガス冷却が必要です。丸みを帯びた光輪の中のガスは熱く、実際には非常に熱く、光っています。このグローは熱エネルギーを漏らし、バランスを崩す可能性があります。最終的には重力が勝利し、物質は回転運動に支えられて最終的な平衡状態に達するまで崩壊します。形成中の円盤に粒子が押し上げられると、銀河が生まれます。この円盤内で、星が形成されます。
皮肉なことに、これまでに説明した物理学を含むシミュレーションはあまりにも 銀河や星を作るのが得意で、本物の銀河よりずっと上手です。欠けているのはフィードバックです。星が形成されると、エネルギーが近隣に送り返され、ガスが加熱されます。大きな星は燃料がなくなると爆発し、銀河の外に物質を送り返すことがあります。星は星の形成を阻害し、私たちが観察するバランスをとることを可能にします.
この物理学と、リンクされた数千台のコンピューターでの数週間から数か月にわたるこれらのシミュレーションにより、暗黒物質と通常の物質が一緒になって非常に現実的な銀河を生成する、宇宙構造の凝縮したウェブが明らかになりました。ワインバーグが正しければ、このプロセスはすべきではない 暗黒エネルギーがより多い宇宙の領域で働きます。
他の領域が銀河を形成できない理由を理解するために、私たちの天の川のような銀河になる運命にある物質をたどってみましょう.私たちのシミュレートされた宇宙では、この物質のパッチが最初に小さな断片に断片化され、その一部には小さな銀河が含まれています。若い天の川は、より多くのガスを集めて星を作ることと、小さな銀河を降着させることの両方によって成長します。今日の天の川の周りには、細断されて久しい小さな銀河の残骸である、長く細い星の流れが見られます。
暗黒エネルギーの量を増やすとどうなりますか?宇宙の膨張の加速段階はより早く始まります。重力と宇宙膨張の間の競争では、後者がより早く勝ち始め、最終的には構造の形成をぎりぎりで停止させます。若い天の川に落ちた小さな銀河は、空間を膨張させることによって運び去られます。星形成の原動力となったはずのガスが、銀河の引力の範囲内に入ることはありません。若い天の川は孤立し、貧しくなります。燃料が限られていると、燃え尽きて老化に入ります。
ズームアウトすると、小さな銀河がまばらに存在する宇宙が見えます。介在するガスは、星を作るには細すぎて、最も近い銀河から離れすぎて引き込まれません。宇宙の構造を形成する時代、その創造的な段階は終わりました.
暗黒エネルギーを増やし続けると、最小の銀河が形成される前に構造の形成が停止します。宇宙のどの物質も、銀河、星、惑星、または人々に形成されることはありません.宇宙全体は死産です — 拡散して膨張する粒子の気体であり、非常に時折互いに跳ね返りますが、それ以外のことはほとんどありません。構造や複雑さがまったくないため、生命はありません。
一見すると、発見された効果はワインバーグの仮説を支持しています。しかし、物語にはひねりがあります。
私たちの宇宙では、星形成は数十億年前が最も効率的でした 暗黒エネルギーが拡大を加速させ始めました。銀河が宇宙加速によって孤立する頃には、星の生成はとにかく減少していました。恒星フィードバックは、宇宙が効率的に星を形成しない主な理由です。ダーク エネルギーは二次的な悪役にすぎません。
その結果、10 倍のダーク エネルギーを追加しても、大きな違いはありません。暗黒エネルギーが大幅に増加した場合にのみ、宇宙加速によって星の形成が実際に消滅します。
私たちはまだ調査結果を公開していませんが、もしそれが続くなら、ワインバーグの議論は不安定に見えます.宇宙には、私たちよりも多かれ少なかれ暗黒エネルギーを持つ領域が他にあるとします。基本的に、各地域は、私たち自身の地域が 1 を選んだスケールで、0 から 10 までの数字を選びます。では、アンケート クリップボードを持ち歩いて、それらの地域で進化した生命体をチェックすることを想像してみてください。誰かに会ったら、彼らがどのくらいの暗黒エネルギーを見ているか尋ねてください。もちろん、ほとんどの地域は死んでいます。これが、「私の地域は 10 か 10 を選びました」と言う人がいない理由を説明しています。しかし、10 または 100 またはそれ以上の数を見る観察者はたくさんいます。その場合、なぜ私たちが 1 の値を見る外れ値なのか疑問に思うかもしれません。理論が「約 100 を期待する」と言っているのに 1 を見ると、説明できません。単なる選択効果としての私たちの価値.
初日です。まだ分析中です。私たちのコンピューターはうなり続けます。しかし、結局、暗黒エネルギーを説明する他の選択肢を検討し続ける必要があるかもしれません.
ルーク A. バーンズは、シドニー大学シドニー天文学研究所のポスドク研究員です。彼は銀河の形成に焦点を当てています。 Geraint Lewisとの彼の本 A Fortunate Universe:Life in a Finely Tuned Cosmos は、ケンブリッジ大学出版局から最近出版されました。
