宇宙は急速に膨張しています。なぜ？

宇宙が膨張しているように見える速度と、私たちが予想する宇宙の膨張速度との間にある矛盾は、宇宙論の中でも最も頑固な異常の1つです。この放射線は、初期宇宙の正確な成分を示しています。

オリジナルストーリーは、サイモンズ財団の編集部から独立した出版物であるQuanta Magazineの許可を得て転載しています。Quanta Magazineは、数学や物理・生命科学の研究開発や動向を取り上げ、科学に対する一般の理解を深めることを使命としています。

しかし、この予測は不十分です。宇宙学者が脈動する星や爆発する超新星などの天体を観測すると、ハッブル定数が大きく、より速く膨張している宇宙を見ています。

ハッブル張力と呼ばれるこの矛盾は、すべての測定がより正確になっても続いています。天体物理学者の中には、この張力が単なる測定誤差に過ぎないのではないかと議論している人もいます。

最近、理論家たちは、標準モデルに加えれば、宇宙の予想される膨張率を高め、観測結果と一致させることができる新しい宇宙の成分を想像するのに忙しかったのです。

「異常を発見することは、科学が進歩するための基本的な方法です」と、ハーバード大学の宇宙学者であり、ハッブルの緊張に対する解決策を提案している数十人の研究者の一人であるAvi Loeb氏は述べています。

宇宙膨張を加速させている可能性があるものとして、以下のようなトップアイデアがあります。

崩壊するダークマター

標準的な宇宙論モデルには、おなじみの物質や放射線、それらの相互作用がすべて含まれています。また、目に見えない物質である「暗黒エネルギー」と「暗黒物質」も含まれており、これらは合わせて宇宙の約96％を占めています。これらの暗黒物質についてはほとんど知られていないため、標準モデルに手を加えるには、暗黒物質が最適なのかもしれません。 “

標準モデルでは、暗黒物質は光と相互作用しない動きの遅い粒子で構成されていると仮定しています。しかし、暗黒物質が単一の物質だけでできているわけではないと仮定したらどうでしょうか。

昨年夏にPhysical Review D誌に掲載された論文で、ローブ氏と2人の共同研究者は、軽い粒子と暗黒光子と呼ばれる質量のない粒子に崩壊する暗黒物質を考えました。

しかし、標準的な宇宙モデルにこのような小さな変更を加えることは、望ましくない影響を及ぼす可能性があります。 “ジョンズ・ホプキンス大学の理論物理学者であるマーク・カミオンコウスキー氏は、「あらゆる種類のわずかな修正を思いつくのは非常に簡単です」と述べていますが、他の豊富な天文学的観測とモデルの完璧な適合性を損なわないようにするのは難しいと述べています。 “

しかし、崩壊する暗黒物質のアイデアにはまだ不満があるようです。

「この場合、1つの矛盾を解決するために、2つの自由パラメータを追加することになりますが、私はそれに不安を感じます」と彼は言い、減衰性暗黒物質をプトレマイオスの地球中心の宇宙モデルにおける首長竜に例えました。 “

不変の暗黒エネルギー

1998年に宇宙の膨張が加速しているという驚きの発見があって以来、宇宙学者は反発する暗黒エネルギーを宇宙の進化のモデルに入れてきました。しかし、その正体は謎のままです。最も単純な可能性は、暗黒エネルギーが「宇宙定数」であり、どこでも密度が一定の空間そのもののエネルギーであるということだ。

宇宙初期の暗黒エネルギー（「初期暗黒エネルギー」と呼ばれています）が余分にあれば、ハッブル定数の矛盾した値を調整することができます。この初期の暗黒エネルギーの外向きの圧力が、宇宙の膨張を加速させたのでしょう。 “

ランドール氏とその共同研究者は、Journal of High Energy Physicsに投稿された論文の中で、ハッブルの緊張に対する「ロックンロール」と呼ばれる解決策を考案しました。これらの標準モデルへの追加は、それぞれ異なる数学的な形をしています。暗黒エネルギーの密度が振動したり、揺れたりするものもあれば、高い値からゼロに向かって転がり落ちるものもあります。しかし、いずれの場合も、初期の暗黒エネルギーは、数十万年後の「組み換え」と呼ばれる時代に消滅しなければなりません。 “昨年6月に『Physical Review Letters』誌に掲載された初期のダークエネルギーに関する論文の共著者であるカミオンコウスキーは、「再結合以降の宇宙の歴史は、標準モデルとかなり一致しています。 “

初期の暗黒エネルギーの他にも、理論家たちは、宇宙が古くなるにつれて変化する「クインテッセンス」や「ファントム暗黒エネルギー」など、他のエキゾチックな形態の暗黒エネルギーを提唱しています。

しかし、カミオンコウスキー氏によると、宇宙の歴史の中で他の膨張期と一緒に考えると、暗黒エネルギーの新しい形態はそれほど作為的ではないようです。例えば、多くの宇宙学者は、ビッグバンの開始時に宇宙が指数関数的に拡大した「インフレーション」と呼ばれる時期があり、その際に現在とは異なる種類の暗黒エネルギーが使われたと考えています。このような暗黒エネルギーに支配された時期は、「宇宙の歴史の中で時折発生する」とカミオンコウスキーは考えています。

Modified Gravity

標準的な宇宙論モデルでは、既知のすべての物質と放射線、そして暗黒物質と暗黒エネルギーが、アルバート・アインシュタインの重力理論に投入され、その結果として空間がどのように膨張するかをアインシュタインの方程式が示しています。つまり、アインシュタインの重力理論に宇宙の要素を加えたり、変更したりする以外に、物理学者が観測された宇宙の膨張率と整合させる方法があるということです。 “

ケンブリッジ大学の博士課程に在籍するWilliam Barker氏は、昨年の夏、「修正重力」の理論を探しているときに、ハッブル緊張を解決する方法に偶然出会いました。バーカー氏は、「初期宇宙に余分な放射線があったかのように振る舞うことができる」修正重力モデルを発見しました。

しかし、Barker氏と3人の共著者は、3月にPhysical Review Dに提出したプレプリントの中で、このモデルが宇宙の膨張だけでなく、銀河や銀河団のような構造がどのように進化したかを説明できるかどうかを確認するためには、さらに多くの分析が必要であることを認めています。

現代の望遠鏡は、そのような構造に関する驚くほど精密なデータを大量に提供していますが、すべての観測結果に一致する理論を考案することは、並大抵のことではありません。 “修正重力理論の多くは完全な理論ではなく、高度なデータセットを使って詳細な計算を行おうとすると、ロバストな方法でそれを行うのは難しいのです」とカミオンコウスキー氏は言います。

Wait and See

「その場しのぎの提案であることは誰もが承知しています」とランダル氏はこれまでの提案について語っています。 “

自由度が増しても、ほとんどの非標準的なモデルは、ハッブルの張力をなくすのではなく、小さくするだけです。

今後、ユークリッド望遠鏡などが、重力と暗黒エネルギーが宇宙の進化をどのように形成してきたかを綿密にマッピングする予定です。一方、衝突する中性子星から放出される重力波は、ハッブル定数を測定する新しい方法を提供します。新しいデータが得られれば、これらのハッブル定数の新しい解法のいくつかは否定されるだろうが、標準モデルに新たな亀裂が入るかもしれない。今のところ、多くの宇宙学者は、標準モデルがこれほどうまく機能しているのに、モデルを複雑にすることを嫌っている。 “

「誰かが本当に良いアイデアを持っていない限り、少し様子を見ようという感覚があります」とランダル氏は述べています。

たとえハッブル緊張がエラーの蓄積に過ぎないと分かっても、新しい物理学の探求は無駄ではないかもしれないと付け加えています。

「興味深い結果は、いずれは消えてしまうものから時折生まれるものです」とランダル氏は言います。 “それは、私たちが何を知っているのか？

この記事のオリジナルは、サイモンズ財団が編集する独立した出版物であるQuanta Magazineの許可を得て転載しています。

Guinguette Marais Poitevin

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