極端な天体物理システムの新たな観測は、アインシュタインの一般相対性理論に代わる試みを「残忍かつ無慈悲に殺害」した。
はじめに
ミゲル・ズマラカレギは、理論が消滅したときの気持ちを知っています。 2017年9月、彼はダークエネルギーと修正重力に関する会議で講演するため、パリ近郊のサクレーにある理論物理学研究所にいた。画期的な天文測定、つまり重力波検出器や他の多くの望遠鏡による 2 つの中性子星間の衝突の検出についての公式ニュースはまだ発表されていませんでしたが、物議を醸すツイートによって天文学界で噂の嵐が巻き起こり、興奮した研究者たちが静かな口調でこの発見について議論していました。
バークレー宇宙物理学センターの理論物理学者であるズマラカアレギ氏は、中性子星衝突の発見がいわゆる「代替」重力理論にどのような影響を与えるかを研究していた。これらの理論は、多くの研究者が宇宙の理解に関する 2 つの大きな問題と考えているものを克服しようとしています。数十年前の観測により、宇宙は目に見えない粒子である暗黒物質と、暗黒エネルギーと呼ばれる反重力で満たされているように見えることが示されています。代替の重力理論は、既知のすべての観察を適切に記述する方法で重力を修正することにより、これらの幻想の必要性を排除しようとします。暗いものは必要ありません。
ズマラカレギ氏は会議で、科学とツイッターを組み合わせる危険性について聴衆に冗談を飛ばし、その噂が真実だった場合にどのような結果が生じるかを説明した。多くの研究者は合併が大きな問題になることを知っていたが、多くは単に「自分たちの理論が消滅の危機に瀕していることを理解していなかった」と彼は後に電子メールで書いた。サクレーでは、彼は彼らに最後の儀式を読み上げました。 「あの会議は、私たちが一部の出席者にニュースを伝える葬儀のようなものでした。」
中性子星の衝突は始まりにすぎませんでした。その発見以来数か月間の新しいデータにより、現在も残っている多くの修正重力理論の支持者にとって、生活はますます困難になっています。天文学者たちは、回転する中性子星またはパルサーを含む極端な天文系を分析して、その運動と一般相対性理論の予測との間の矛盾、つまり代替重力理論の一部が予測している矛盾を探してきました。これらのパルサー システムにより、天文学者は新たなスケールと精度で重力を調査できるようになります。そして、新しい観測が起こるたびに、これらの代替重力理論は、それらが発明された目的の問題を解決するのにますます困難になっています。アムステルダム大学の天体物理学者、アン・アーチボルド氏は、研究者は「新しい物理学を解明するために、さらに汗をかく必要がある」と述べた。
バルカンを探しています
交絡的な観測は、天文学者を絶望的な説明に導く方法を持っています。 1859年3月26日の午後、パリ南部の小さな村、オルジェール・アン・ボースの若い医師でアマチュア天文学者のエドモン・レスカルボーは、患者の合間に休憩を取っていました。彼は石造りの納屋の屋根にある小さな手作りの天文台に急いだ。彼は望遠鏡の助けを借りて、太陽の表面を横切って移動する未知の丸い物体を発見しました。
彼はすぐにこの発見のニュースを、当時世界を代表する天文学者であるユルバン・ル・ベリエに送りました。ル・ベリエは水星の動きの奇妙さを説明しようとしていた。他の惑星はすべて、アイザック・ニュートンの運動と重力の法則に完全に一致して太陽の周りを公転していますが、水星は公転するたびにわずかに前進しているように見えました。これは近日点歳差運動として知られる現象です。ル・ベリエは、目に見えない「暗い」惑星が水星を引っ張っているに違いないと確信していた。太陽を通過する暗黒点のレスカルボーの観察は、ル・ベリエがバルカンと名付けたこの惑星が実在することを示しているようでした。
そうではありませんでした。レスカルボーの目撃は決して確認されず、水星の近日点歳差運動はさらに60年近く謎のままでした。その後、アインシュタインは一般相対性理論を展開し、水星はそのように振る舞うはずであると率直に予測しました。
これまで隠された物体を導入することで不可解な観察を説明したいというル・ベリエの衝動に、現代の研究者の中には暗黒物質と暗黒エネルギーの物語との類似点を見出す者もいる。天文学者たちは何十年もの間、銀河や銀河団の挙動が一般相対性理論の予測と一致しないように見えることに気づいてきました。暗黒物質は、その挙動を説明する 1 つの方法です。同様に、宇宙の加速膨張は暗黒エネルギーによって引き起こされていると考えることができます。
しかし、暗黒物質と暗黒エネルギーを直接検出する試みはすべて失敗に終わりました。カリフォルニア工科大学の理論物理学者、レオ・スタイン氏は、その事実は「まるで架空の惑星バルカンのように、一部の人々の口に悪趣味を残す」と述べた。 「もしかしたら、私たちのやり方はすべて間違っているかもしれません?」
代替重力理論が機能するには、暗黒物質と暗黒エネルギーを取り除くだけでなく、すべての標準的な文脈で一般相対性理論の予測を再現する必要があります。 「代替重力理論の仕事は厄介なものだ」とアーチボルド氏は語った。ひも理論やループ量子重力など、一般相対性理論の代替となる可能性のあるものは、検証可能な予測を提供しません。他の人は「驚くほど間違った予測をするので、理論家は実際にテストできるスケールで間違った予測を隠すために、ある種のスクリーニングメカニズムを考案する必要があります」と彼女は言いました。
最もよく知られている代替重力理論は修正ニュートン力学として知られており、一般に MOND と略されます。 MOND タイプの理論は、重力の定義を微調整することで暗黒物質を排除しようとします。天文学者たちは、通常の物質による重力が銀河内で急速に動く星を維持するには十分ではないようであることを長い間観察してきました。暗黒物質の重力がその差を補うと考えられています。しかしMONDによれば、重力には単純に2種類あるという。重力が強い領域では、物体はニュートンの重力の法則に従います。これは、2 つの物体間の重力はそれらを隔てる距離の 2 乗に比例して減少するというものです。しかし、銀河の外側部分のような重力が非常に弱い環境では、別の種類の重力が作用しているとMONDは示唆している。この重力は距離が離れるほどゆっくりと減少します。つまり、それほど弱まることはありません。 「そのアイデアは、銀河の郊外のように、重力が弱くなるべきときに重力を強くすることです」とズマラカレギ氏は語った。
Lucy Reading-Ikanda/Quanta Magazine
次に、MOND の相対論的いとこである TeVeS (テンソル ベクトル スカラー) があります。 MOND はニュートン重力を修正したものですが、TeVeS は MOND の一般的な考え方を取り入れて、それを太陽系や銀河のような比較的小さな天体だけでなく、宇宙全体に適用できる完全な数学理論にしようとする試みです。また、銀河の周縁部で重力が強くなることで銀河の回転曲線を説明します。しかし、ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク天体物理研究所の宇宙学者ファビアン・シュミット氏は、TeVeSは「本質的に重力を増幅する」「スカラー」場と「ベクトル」場で重力を増強することによってそれを実現していると述べた。スカラー フィールドは大気全体の温度のようなものです。どの点でも数値はありますが、方向はありません。対照的に、ベクトル フィールドは風のようなものです。ベクトル フィールドには値 (風速) と方向の両方があります。
暗黒エネルギーを除去しようとする、いわゆるガリレオン理論（ホーンデスキおよびホーンデスキを超えた理論と呼ばれる理論群の一部）もあります。一般相対性理論のこれらの修正により、スカラー場も導入されます。これらの理論は多数あり (ブランス ディッケ理論、ディラトン理論、カメレオン理論、および真髄はそれらのほんの一部です)、その予測はモデルによって大きく異なります。しかし、それらはすべて宇宙の膨張を変え、重力を微調整します。ホーンデスキ理論は 1974 年にグレゴリー ホーンデスキによって初めて提唱されましたが、より広範な物理学コミュニティがこの理論に注目したのは 2010 年頃のことです。その時までにズマラチャレギ氏は、「グレゴリー ホーンデスキは科学を辞め、ニューメキシコで画家になった」と述べました。
物理学者エリック・バーリンデのような独立した理論もあります。彼の理論によれば、重力の法則は、「海の水の分子から波が現れる仕組み」と同じように、熱力学の法則から自然に生じるとズマラカレギ氏は述べた。ヴァーリンデは電子メールで、自分のアイデアは重力の「代替理論」ではなく、「アインシュタインの一般相対性理論を含み、それを超える次の重力理論」であると書いた。しかし、彼はまだアイデアを発展させている最中です。 「私の印象では、理論はまだ十分に解明されておらず、私たちが実施するような精密なテストが可能ではありません」とアーチボルド氏は語った。ズマラカレギ氏は、これは「派手な言葉」に基づいて構築されていますが、「予測を計算し、確実なテストを行うための数学的フレームワークはありません」と述べました。
他の理論による予測は、一般相対性理論の予測とは何らかの点で異なります。ただし、これらの違いは微妙な場合があるため、見つけるのが非常に困難になります。
中性子星の合体を考えてみましょう。レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) がこの現象から発せられる重力波を発見したのと同時に、宇宙に拠点を置くフェルミ衛星も同じ場所からガンマ線バーストを発見しました。 2 つの信号は 1 億 3,000 万年かけて宇宙を旅し、わずか 1.7 秒の差で地球に到着しました。
ドイツのボンにあるマックス・プランク電波天文学研究所の天体物理学者パウロ・フレイレ氏は、これらのほぼ同時の観測はTeVeS理論を「残忍かつ無慈悲に抹殺した」と述べた。 「重力と重力波は、非常に高い精度で光の速度で伝播します。これは、それらの [代替] 理論によって予測されたものではまったくありません。」
宇宙の加速膨張を説明するために追加のスカラー場を追加するいくつかのガリレオン理論も、同じ運命をたどりました。これらは、重力波が光よりもゆっくりと伝播することも予測します。シュミット氏によれば、中性子星と星との合体によってそれらも消滅したという。
新しいパルサー システムによってさらなる制限がもたらされます。 2013 年、アーチボルドらは珍しい三重系を発見しました。パルサーと白色矮星が互いに周回し、2 番目の白色矮星がペアの周回をしています。これら 3 つの天体は、太陽の周りを回る地球の軌道よりも小さな空間に存在します。アーチボルド氏によると、この厳しい設定は、中性子星やブラックホールなどの非常に高密度の強重力物体が重力場に置かれると同じように「落下」するという強等価原理と呼ばれる一般相対性理論の重要な側面をテストするのに理想的な条件を提供するという。 (地球上では、よりよく知られた弱い等価原理により、空気抵抗を無視すると、羽根とレンガは同じ速度で落下するということになります。)
三重システムを使用すると、パルサーと内側の白色矮星が外側の白色矮星の重力の中でまったく同じように落下するかどうかを確認することができます。代替重力理論は、パルサーで生成されるスカラー場が白色矮星よりもはるかに極端に時空を曲げるはずだと仮定しています。この 2 つが同じように陥ることはなく、強力な等価原理とそれに伴う一般相対性理論の違反につながります。
過去 5 年間にわたり、アーチボルドと彼女のチームは、他の 2 つの星を周回するパルサーの位置の 27,000 回の測定値を記録しました。このプロジェクトはまだ進行中だが、結果はアインシュタインと完全に一致するものになるようだとアーチボルド氏は語った。 「パルサーが異常に動作する度合いは、せいぜい百万分の一であると言えます。これほど強い重力を持つ物体がアインシュタインの予測によく従うためには、これらのスカラー場が 1 つでもあるとしても、それが及ぼす影響は非常に小さいはずです。」
間もなく発表される予定のこのテストは、代替重力理論のグループ全体にこれまでで最高の制約を課すことになるだろうと彼女は付け加えた。理論が追加のスカラー場でのみ機能する場合、その場はパルサーの動作を変更する必要があります。 「私たちは一般相対性理論の非常に敏感なテストを行っているため、太陽系や私たちのようなパルサー系における理論の新しい挙動を何らかの形で隠す必要がある」とアーチボルド氏は述べた。
一方、ダブルパルサーと呼ばれる別のパルサー系からのデータは、当初、TeVeS理論を排除するものと考えられていた。 2003 年に検出されたダブル パルサーは、最近まで、両方の中性子星がパルサーである唯一の中性子連星系でした。フレイレ氏と彼の同僚は、ダブルパルサーの挙動が一般相対性理論に完全に一致していることをすでに確認している。 LIGOが10月に中性子星の合併を発表する直前、研究者らはTeVeSを消滅させる論文を発表しようとしていた。しかし、LIGOは彼らのためにその仕事をしてくれた、とフレイレ氏は語った。 「もうそんなことを経験する必要はありません。」
滑りやすい生存者
いくつかの理論はLIGOの打撃を生き延びており、おそらく今後のパルサーデータでも生き残るだろうとズマラカレギ氏は述べた。重力波の速度を変えないホーンデスキ理論とホーンデスキを超えた理論がいくつかあります。それから、いわゆる巨大重力理論があります。通常、物理学者は、重力に関連する粒子、つまり重力子には質量がないと想定しています。これらの理論では、重力子の質量は非常に小さいですが、ゼロではありません。ズマラカレギ氏は、巨大な重力子は光よりもゆっくりと移動するため、中性子星と中性子星の合体はこれらの理論に厳しい制限を課すものだと述べた。しかし、いくつかの理論では、質量は極めて小さく、ニュートリノの質量より少なくとも 20 桁低いと想定されています。これは、重力子が依然として光速に近い速度で移動することを意味します。
他にもあまり知られていない生存者が数人おり、そのうちのいくつかは暗黒物質と暗黒エネルギーがとらえどころのない限り、探索を続けることが重要であるとアーチボルド氏は述べた。 「ダーク エネルギーは、新しく優れた重力理論を示す唯一の観測手掛かりである可能性があります。あるいは、重力とはまったく関係のない、奇妙な特性を持つ謎の流体である可能性もあります。」
それでも、理論を消滅させることは科学の本来のあり方にすぎないと、代替重力理論を模索してきた研究者らは主張する。 MONDのような理論に取り組んできたパリ天体物理学研究所のエンリコ・バラウス氏は、「これは私たちがいつも行っていることであり、作業仮説を提案し、それを検証することだ」と語る。 「99.9 パーセントの確率で仮説を除外できます。残りの 0.1 パーセントの確率でノーベル賞を受賞できます。」
これらの理論の研究にも携わったズマラカレギ氏は、中性子星合体検出によってガリレオン理論が間違いであることが証明されたと知り、最初は「悲しかった」が、最終的には「それが遅かれ早かれ起こったことに非常に安心した」と述べた。 LIGO は、検出器をアップグレードするために 18 か月間閉鎖されようとしていたところでした。 「もし出来事がもう少し遅かったら、私はまだ間違った理論に取り組んでいたでしょう。」
それでは、一般相対性理論と修正重力理論の次は何でしょうか? 「その質問をすると、思った以上に夜更かししてしまうんです」とズマラチャレギさんは語った。 「良いニュースは、私たちが調査範囲を大幅に狭めたことで、少数の生存者をよりよく理解できるようになったということです。」
シュミット氏は、現在および将来の大規模銀河調査を利用して、重力の法則をできるだけ直接大規模に測定する必要があると考えている。 「例えば、修正重力理論では通常異なると予測される銀河速度だけでなく、光の曲がりに対する重力の影響を比較することができます」と彼は述べた。研究者らはまた、スクエアキロメートルアレイのような将来の望遠鏡がより多くのパルサーシステムを発見し、パルサーのタイミングの精度を高めて重力試験をさらに改善することを期待している。そして、LISAと呼ばれるLIGOに代わる宇宙ベースの宇宙船は、重力波を極めて高い精度で研究することになる――実際に計画通りに2030年代半ばに打ち上げられるのであれば。 「一般相対性理論からの逸脱が見られないとしても、何が起こるかわかりません」とバラウス氏は言いました。
しかし、多くの物理学者は、ほとんどの代替重力モデルを廃止するには長い時間がかかることに同意しています。理論家たちは、暗黒物質と暗黒エネルギーを説明できる可能性のある代替重力理論を数十も持っている、とフレイレ氏は述べた。アーチボルド氏によると、これらの理論の中にはテスト可能な予測ができないものもあり、多くは「パラメーターという、好きなテストに合格させるために回せる『ノブ』を持っている」と彼女は言う。しかし、ある時点で、モンタナ州立大学の物理学者、ニコラス・ユネスは、「これはばかばかしくなり、オッカムのカミソリが勝つ」と言いました。
それでも、「一般相対性理論が間違っていることは基本的にわかっている」とスタイン氏は言う。量子レベルでは「核心に何らかの破綻があるに違いない」。 「おそらく、天体観測ではそれを見ることはできないでしょう…しかし、経験科学者として、私たちは数学的モデルがこれらのスケールで機能しているかどうかを確認する義務があります。」
この記事は Wired.com に転載されたものです。
