ビッグバンから約 40 万年後、誕生したばかりの宇宙の原始プラズマは、最初の原子が合体するのに十分な温度まで冷却され、埋め込まれた放射線が自由に飛翔できるスペースができました。その光、つまり宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) は空をあらゆる方向に流れ続け、専用の望遠鏡で捉えられた初期宇宙のスナップショットを放送し、古いブラウン管テレビでも静止画として映し出されます。
1965 年に科学者たちが CMB 放射線を発見した後、彼らはその小さな温度変化を注意深くマッピングし、それが単なる泡立ったプラズマだった頃の宇宙の正確な状態を示しました。現在、彼らは CMB データを再利用して、宇宙が成熟するにつれて数十億年かけて発達した大規模構造をカタログ化しています。
「あの光は宇宙の歴史の大部分を経験しており、光がどのように変化したかを見ることで、さまざまな時代について学ぶことができます」と、SLAC 国立加速器研究所の宇宙学者キミー ウー氏は述べています。
約 140 億年の旅の過程で、CMB からの光は、途中にあるあらゆる物質によって引き伸ばされ、絞られ、歪められてきました。宇宙学者は、CMB光の一次変動を超えて、銀河や他の宇宙構造との相互作用によって残された二次痕跡に注目し始めています。これらの信号から、彼らは通常の物質（原子の部分で構成されるすべてのもの）と謎の暗黒物質の両方の分布をより鮮明に把握できるようになりました。次に、これらの洞察は、長年の宇宙論的な謎を解決し、いくつかの新しい謎を提起するのに役立ちます。
SLACの宇宙学者でもあるエマニュエル・シャーン氏は、「CMBは宇宙の初期状態についてだけでなく、銀河自体についても教えてくれるということに気づきつつある」と語った。 「そして、それは本当に強力であることが判明しました。」
影の宇宙
星が発する光を追跡する標準的な光学調査では、銀河の下にある質量の大部分が見落とされます。それは、宇宙の全物質内容の大部分が望遠鏡では見えず、暗黒物質の塊として、または銀河を橋渡しする拡散イオン化ガスとして視界から隠れているからです。しかし、暗黒物質と散在するガスは両方とも、入射 CMB 光の倍率と色に検出可能な痕跡を残します。
「宇宙は実際、銀河が主役であり、CMB がバックライトである影の劇場です」とシャーン氏は言いました。
影の選手の多くがリリーフとして登場しつつあります。
CMB からの光粒子または光子が銀河間のガス中の電子を散乱させると、より高いエネルギーに衝突します。さらに、これらの銀河が膨張する宇宙に対して運動している場合、CMB 光子は、クラスターの相対運動に応じて上または下に 2 番目のエネルギー シフトを受けます。
それぞれ熱効果と運動学的なスニャエフ・ゼルドヴィッチ (SZ) 効果として知られるこの一対の効果は、1960 年代後半に初めて理論化され、過去 10 年間で検出精度が向上しました。 SZ 効果は一緒に、CMB 画像から読み取ることができる特徴的な痕跡を残し、科学者が宇宙のすべての普通の物質の位置と温度をマッピングできるようにします。
最後に、弱い重力レンズとして知られる 3 番目の効果は、CMB 光が巨大な物体の近くを移動するときにその経路を歪め、あたかもワイングラスの底を通して見たかのように CMB を歪めます。 SZ 効果とは異なり、レンズは暗いかどうかにかかわらず、あらゆる物質に敏感です。
これらの効果を総合すると、宇宙学者は通常の物質を暗黒物質から分離できるようになります。その後、科学者はこれらの地図に銀河調査の画像を重ねて宇宙の距離を測定したり、星の形成を追跡したりすることもできます。
メリル・シャーマン/クアンタ・マガジン
2021年の関連論文では、シャーン氏と現在フランスのストラスブール天文台にいるステファニア・アモデオ氏率いるチームがこのアプローチを実践している。彼らは、欧州宇宙機関のプランク衛星と地上のアタカマ宇宙望遠鏡によって取得された CMB データを調べ、その後、約 500,000 個の銀河の追加の光学調査をそれらの地図の上に重ねました。この技術により、彼らは通常の物質と暗黒物質の配列を測定できるようになりました。
分析の結果、この地域のガスは、多くのモデルが予測したほど、それを支える暗黒物質ネットワークにしっかりと結合していないことが示されました。 その代わりに、超新星からの爆発や超大質量ブラックホールの降着によって暗黒物質ノードからガスが強制的に引き離され、ガスが拡散したため、従来の望遠鏡では検出できないほど薄くて冷たくなったと示唆されています。
CMB の影で拡散ガスを発見したことは、科学者がいわゆる行方不明バリオン問題にさらに取り組むのに役立ちました。また、拡散する爆発の強さと温度の推定値も提供されました。科学者たちは現在、このデータを使用して銀河の進化と宇宙の大規模構造のモデルを改良しています。
近年、宇宙論者たちは、観測された現代宇宙の物質分布が理論の予測よりも滑らかであるという事実に困惑している。シャーン氏やアモデオ氏らによる最近の研究が示唆しているように、銀河間ガスを再利用する爆発が科学者の想定よりも高エネルギーであれば、これらの爆発が宇宙全体に物質をより均一に拡散させたことに部分的に関与している可能性がある、とコロンビア大学の宇宙学者でCMB署名の研究もしているコリン・ヒル氏は述べた。今後数か月以内に、アタカマ宇宙望遠鏡のヒル氏らは、空の範囲と感度の両方が顕著に増加した CMB 影の更新されたマップを発表する予定です。
「このマップで何ができるかはまだ表面をなぞり始めたにすぎません」とヒル氏は語った。 「これまでのどの製品よりもセンセーショナルな進歩です。これが現実であるとは信じがたいです。」
未知の色合い
CMB は、研究者が宇宙の起源、構成、形状を理解するために使用する中心的な枠組みである宇宙論の標準モデルの確立に役立つ重要な証拠でした。しかし、CMB のバックライト研究は現在、その話に穴を開ける恐れがあります。
マックス・プランク天体物理研究所の宇宙学者で、2001 年から 2010 年にかけて CMB のマッピングを行ったウィルキンソン マイクロ波異方性探査機の一員として理論の確立に努めた小松栄一郎氏は、「このパラダイムは、最近まで精密測定のテストを経て実際に生き残ったのです。私たちは、宇宙の新しいモデルの岐路に立っているのかもしれません。」
過去 2 年間、小松氏らは影絵劇場の舞台で新たなキャラクターのヒントを調査してきました。信号は CMB 光波の偏光、つまり方向に現れます。宇宙論の標準モデルによれば、この偏光は宇宙を横切る光波の移動中に一定のままであるはずです。しかし、30年前にショーン・キャロルらによって理論化されたように、その偏光は暗黒物質、暗黒エネルギー、あるいはまったく新しい粒子の場によって回転する可能性がある。このような場では、異なる偏光の光子が異なる速度で移動し、光の正味の偏光が回転します。これは、LCD スクリーンを実現する結晶など、特定の結晶に共通する「複屈折」として知られる特性です。 2020年、コマツのチームはCMBの偏光にわずかな回転（約0.35度）を発見したと報告した。昨年発表された追跡調査は、以前の結果を裏付けるものでした。
偏光の研究や銀河の分布に関連する別の結果が確認された場合、それは宇宙がすべての観察者にとって全方向で同じに見えるわけではないことを意味するでしょう。ヒル氏や他の多くの人々にとって、どちらの結果も興味深いものではありますが、まだ決定的なものではありません。これらのヒントを調査し、潜在的な交絡効果を排除するために追跡調査が進行中です。さまざまな影をさらに検査する専用の「逆光天文学」宇宙船を提案する人もいます。
「5～10年前、人々は宇宙論は終わったと考えていました」と小松氏は言う。 「それは今変わりつつあります。私たちは新しい時代に入りつつあります。」
