何十年にもわたって、反逆的な理論家の一団は、宇宙論の中核概念の 1 つである目に見えない無形の物質が宇宙の主要な構造を形成しているという考えと戦争を繰り広げてきました。この暗黒物質は、私たちが 5 対 1 でできているものよりも重いように見えますが、いくつか例を挙げると、銀河と銀河の群れの緊密な結合、遠くの銀河からの光が地上の望遠鏡に向かう途中でどのように曲がるか、初期宇宙のまだらな構造など、多くの観察の原因となっています。
革命家志望者たちは、別の宇宙レシピを模索しています。暗黒物質の代わりに、微妙に修正された重力が使われます。しかし、彼らの大まかなアイデアを正確な数学的言語に翻訳する試みは、常に少なくとも 1 つの重要な観察に衝突します。銀河を正確に捉える定式化もあれば、光線の歪みを正しく捉える定式化もあるが、暗黒物質の最も防弾的な証拠である宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) として知られる古代の光の正確な地図を突き破るものはなかった。ジュネーブ大学の宇宙学者ルース・デュラー氏は、「このデータと一致するには理論が非常にうまく機能しなければならない」と述べた。 「これがボトルネックです。」
現在、二人の理論家が、ついにその障害を乗り越えて、代替重力理論を導き出したと述べている。彼らの研究は、6月下旬にオンラインに投稿され、まだ査読を通過していないが、アインシュタインの重力理論の微調整バージョンを使用して、初期宇宙の象徴的な地図を再現しているが、これは一部の反政府勢力ですら不可能と恐れられた偉業である。 「15年間、私たちはただ水の中で死んでいたのです」と、ケースウェスタンリザーブ大学の天文学者で、修正重力理論の長年の提唱者であるステイシー・マクゴー氏は言うが、研究には関与していない。 「これは大きな進歩です。」
モデルの暫定結果が有望であることに同意する人もいます。 「これは少しバロック的ですが、これまでのところ他に何もうまくいかなかったので、それでもうまくいきそうなことに感銘を受けています」と Durrer 氏は言いました。
ほとんどの宇宙学者は依然として、2 つのパラダイムのうち単純な方として暗黒物質を好みますが、追加の宇宙論的観測と本当に一致するのであれば、新しい理論は興味深いものになる可能性があることに同意しています。 「それは大きな障壁になるだろう」とシカゴ大学の天体物理学者ダン・フーパー氏は言う。 「それはかなり興味深いでしょう。」
針に糸を通す
修正ニュートン力学または MOND として総称される代替重力理論に対する課題は、新しいモデルが登場した翌日に偶然出版された別のプレプリントで詳しく説明されました。その中で最も重要なのは、ラムダ冷暗黒物質 (LCDM) として知られる確立された宇宙論モデルで説明されるように、宇宙を引き寄せる際に暗黒物質が果たす主要な役割を再考することです。
簡単に言うと、LCDMは、暗黒物質がなければ私たちは存在しないと言っています。誕生したばかりの宇宙は非常に滑らかだったので、通常の物質の重力だけでは粒子を集めて銀河、星、惑星を作るのに十分ではなかったでしょう。暗黒物質粒子を入力します。 LCDM は、その集合体を利用して、通常の物質を天文学者によって研究されている現代の宇宙構造に彫刻します。
LCDM が宇宙論の標準モデルとなったのは、CMB と非常に正確に一致しているためです。この初期宇宙の地図には、宇宙にさざ波のように広がっている、ほとんど知覚できないほどの厚い斑点と薄い斑点が示されています。最近になって、研究者は CMB の光の方向や偏光をより正確に測定できるようになりました。宇宙論を成功させるには、CMB の温度、CMB の偏光、銀河と銀河団の現在の分布という 3 つの観測結果を再現することによって、宇宙の包括的な歴史を確立する必要があります。
Lucy Reading-Ikanda/Quanta Magazine;ソース:土井:1303.5076v3
2 番目のプレプリントでは、NASA ジェット推進研究所の天体物理学者であるクリス・パルド氏と、フラットアイアン研究所計算天体物理学センター所長であるデイビッド・スパーゲル氏が、代替重力理論が LCDM の 1 つの特定の機能と競合することがいかに難しいかを定量化しました。 (クアンタマガジン (フラットアイアン研究所にも資金提供しているサイモンズ財団が後援する、編集上独立した出版物です。) 暗黒物質のより密度の高いゾーンが物質を引き寄せ、最終的には銀河や星を形成すると、最初に物質内を移動していた波紋は、完全ではありませんが、ほとんど洗い流されたでしょう。 CMB の分極を今日の物質のパターンと比較することで、宇宙論者はまさにそのような影響を正確に測定できます。CMB で見られるうねりの 100 倍小さい波紋の残骸が今日も残っているということです。
LCDM の名目上の要素を使わずにこれらの機能やその他の機能を再現するには、理論上最も繊細な針の糸通しが必要であると Spergel 氏は示しました。 「私たちはこれらすべて（修正重力理論）の存在を反証したわけではありません」と彼は言う。 「しかし、いかなる代替理論も、これらの輪を飛び越える必要があります。」
ダークダスト
中央ヨーロッパ宇宙論・基礎物理学研究所の理論家、トム・ズウォスニク氏とコンスタンティノス・スコルディス氏は、MOND懐疑論者もファンも同様に驚かせるような方法ではあるが、まさにそれを成し遂げたと信じている。彼らは、宇宙規模で目に見えない物質とまったく同じように機能する成分を含む重力理論を構築することに成功し、暗黒物質と MOND パラダイムの間の境界線を曖昧にしました。
RelMOND と呼ばれる彼らの理論は、一般相対性理論の方程式に、分野ごとに異なる挙動を示す遍在場を追加します。宇宙が膨張するにつれて著しく伸びる最も壮大なスケールでは、フィールドは目に見えない物質のように機能します。ズウォスニク氏が「ダークダスト」と呼ぶこのモードでは、この場は暗黒物質と同じように目に見える宇宙を形作った可能性がある。このモデルは、CMB の温度 (二人がプレプリントで発表した結果) を忠実に再現しており、ズウォスニク氏は、これらのプロットはまだ発表していませんが、偏光スペクトルや物質分布とも一致させることができると述べています。
「[RelMOND] は LCDM よりも悪いことはできません」と Złosnik 氏は言いました。なぜなら、それは宇宙全体の理論を非常によく模倣しているからです。
しかし、宇宙の構造が比較的静止している銀河にズームインすると、この場は MOND のルーツに忠実な方法で機能します。標準的な重力場と絡み合い、余分な物質なしで銀河を保持するのに十分なだけ強化されます。 (研究者らは、この磁場が、永続的な MOND の痛み点である、より大きな銀河団に対してどのように作用するのかまだわかっていません。そして、理論を際立たせる可能性のある観測の手がかりを探すには、この中間スケールが良い場所である可能性があると示唆しています。)
このペアの数学的成果にもかかわらず、ダークマターの方が単純な理論であることに変わりはありません。新しいフィールドの構築には 4 つの新しい可動数学的部分が必要ですが、LCDM はたった 1 つで暗黒物質を処理します。フーパーはこの状況を、殺人現場にいる人物が殺人者なのか、それともCIAに嵌められたのかを議論する刑事に例えている。入手可能な証拠が両方の理論に一致する場合でも、どちらか一方の方が飛躍は必要ありません。
それでも、彼は宇宙論的な陰謀論と彼が考えるものに取り組んでいる他の人たちを恨んでいません。 「賢い人たちが MOND について考えてくれて嬉しいです」と彼は言いました。
ズウォスニク氏は、暗黒物質がすぐに検出されることを望んでいるが、それまでの間、彼はMONDでの自分の研究を、宇宙論的確立に対する全面的な攻撃というよりも、一般相対性理論をその限界まで拡張する演習として見ている。今のところ、彼は、重力の数学が多くの人が考えていたよりも奇妙な現象に対応できる可能性があることを示すのに貢献できたことをただ喜んでいます。
「不可能だと思い込むだけで、何か有益なものを見逃してしまう危険があります」とズウォシュニク氏は言う。 「それは、もう少し成功する道を示すかもしれません。」
この記事は TheAtlantic.com に転載されました。
