ダークエネルギーは本当に存在するのか？宇宙学者たちが激論

ダークエネルギーは、その名の通り謎めいた存在ですが、宇宙論においてもはや欠かせない存在となっています。この反発エネルギーが宇宙に浸透しているという証拠は、1998年以降、積み重なってきました。この年、天文学者たちは宇宙の膨張が加速していることを初めて発見しました。ダークエネルギーが加速器として作用しているのです。空間が膨張するにつれて新たな空間が生じ、それに伴いこの反発エネルギーも増大し、空間の膨張速度をさらに加速させます。

20年後、複数の独立した測定結果から、ダークエネルギーが宇宙の構成要素の約70%を占めているという点で一致しています。ダークエネルギーは私たちの現在の宇宙理解に深く根付いているため、天文学と天体物理学誌に最近掲載された論文で、ダークエネルギーの存在自体が疑問視されたことは驚きでした。

オックスフォード大学の物理学者スビル・サーカー氏を含む4人の著者は、数百個の超新星爆発のデータを独自に分析した。超新星爆発は宇宙の加速膨張の最初の証拠となり、この発見により3人の天文学者が2011年のノーベル物理学賞を受賞した。サーカー氏らが超新星を観察した際、彼らは暗黒エネルギーによって宇宙があらゆる方向に均一に加速している様子を捉えたわけではない。むしろ、超新星がそのような姿をしているのは、私たちの宇宙領域が特定の方向、おおよそ南天のケンタウルス座に向かって加速しているからだ、と彼らは述べている。

外部の専門家たちはほぼ即座に論文を批判し始め、その方法論に明らかな欠陥を発見した。そして今、2人の宇宙学者が、これらの主張とその他の主張を12月6日にオンライン掲載され、アストロフィジカル・ジャーナルに投稿された論文で公式化した。著者であるハワイ大学マノア校のデイビッド・ルービン氏と学生のジェシカ・ハイトラウフ氏は、サーカー氏らのデータ処理における4つの主要な問題点を詳述している。「宇宙の膨張は加速しているのか？」と彼らの論文のタイトルは問いかけている。「すべての兆候は依然としてイエスを示している。」

外部の研究者たちは、その徹底的な分析を称賛した。「ルビン氏らの議論は非常に説得力がある」と、ミシガン大学の宇宙学者ドラガン・フテラー氏は述べた。「いくつかは原著（『天文学と天体物理学』誌の論文）を見て既に認識していた部分もあるが、それ以外は私にとっては初めてだが、非常に納得できる部分もある」

しかし、サーカー氏と共著者であるパリ天体物理学研究所のジャック・コラン氏とロイア・モハヤイー氏、そしてコペンハーゲン大学のモハメド・ラミーズ氏は、これらの批判に同意していない。ルービン氏とハイトラウフ氏の論文が発表されて数日後、彼らは反論への反論を掲載した。

宇宙論コミュニティは動揺していない。フテラー氏は、今回の反応は時として「要点を外している」と述べ、「議論の余地のない」統計原理を議論しようとしていると指摘した。デューク大学の超新星宇宙論者ダン・スコルニック氏は、「超新星のみから得られるダークエネルギーの証拠は、重要かつ確実である」と改めて強調した。

動くショット

宇宙の膨張は光を引き伸ばし、その色を赤くします。超新星は遠くにあるほど「赤方偏移」が大きくなります。これは、光が膨張する宇宙をより遠くまで移動する必要があるためです。もし宇宙が一定の割合で膨張しているなら、超新星の赤方偏移はその距離、ひいては明るさに正比例するはずです。

しかし、ダークエネルギーに満ちた加速膨張宇宙では、過去の宇宙空間の膨張速度は現在よりも緩やかでした。つまり、宇宙空間の膨張速度が大部分を占めていたことを考えると、超新星の光は地球までの長い旅路において、それほど伸びていなかったことになります。一定の距離（明るさで示される）にある超新星は、ダークエネルギーのない宇宙に比べて、赤方偏移が著しく小さく見えるでしょう。実際、研究者たちは、超新星の赤方偏移と明るさがまさにこのように比例することを発見しています。

サーカー氏と共同研究者は、最近の論文で型破りな分析手法を採用した。通常、超新星データの研究では地球の運動を考慮する必要がある。地球は太陽の周りを公転し、太陽は銀河の周りを公転し、銀河は局部銀河群の周りを公転している。そのため、地球と望遠鏡は秒速約600キロメートルで宇宙を猛スピードで移動している。私たちの運動はケンタウルス座付近の高密度領域に向かっている。その結果、その方向から来る光はドップラー効果の影響を受け、空の反対側から来る光よりも青く見えるのだ。

この動きを補正し、超新星のデータを静止した基準系に変換するのが一般的です。しかし、サーカー氏らはそうしませんでした。「この動きを差し引かなければ、超新星のデータにも同じドップラーシフトが生じてしまいます」とルービン氏はインタビューで説明しました。「この影響の大部分は太陽系の動きによるものだというのが私たちの主張です。」

ルービン氏とハイトラウフ氏によると、この論文のもう一つの問題は、サーカー氏とその同僚が「明らかに間違った仮定」を立てたことだという。彼らは、宇宙塵が赤色光よりも青色光を多く吸収するという事実を考慮していなかったのだ。

このため、比較的「クリーン」で塵のない領域にある超新星は、青い光を吸収する塵が少ないため、特に青く見えます。塵が少ないということは、より明るく見えるということでもあります。そのため、望遠鏡で観測する遠くの超新星は、不釣り合いに青く明るく見えるのです。塵の色依存効果を考慮に入れなければ、近くの超新星（平均して塵が多く赤い）と遠くの超新星（平均して青く明るい）の明るさの差が小さくなり、結果として宇宙の加速膨張を推測する力も弱くなります。

これらとその他の異例の決定を組み合わせることで、サーカー氏のグループは、単一方向を指す加速である「双極子」項と、ダークエネルギーを示す均一な加速の一種を表すごくわずかな、あるいはゼロの「単極子」項を使用して超新星データをモデル化することができた。

この双極子モデルには他に2つの問題があると、ルービン氏とハイトラウフ氏は述べた。第一に、このモデルには、地球から遠ざかるにつれて双極子加速度がどれだけ速くゼロに低下するかを表す項が含まれている。サーカー氏らはこの距離を小さく設定したため、彼らのモデルは多数の超新星サンプルで検証されていない。第二に、このモデルは方程式中の双極子項と単極子項の関係に関する整合性検証を満たしていない。

すべてが同じではない

ルービン氏とハイトラウフ氏の論文が発表された日、サーカー氏はメールで「分析に修正を加える必要はないと考えている」と述べた。彼と彼のチームはすぐに、2人の主張する4つの論点に対する反論を掲載したが、そのほとんどは以前の論拠を蒸し返したものだった。彼らは、ある主張の根拠として、学界を離れ金融業界でキャリアを積んだ宇宙学者ナタリア・カルペンカ氏の研究を引用したが、彼女の研究を誤解しているとルービン氏は述べた。クオンタが連絡を取った他の4人の宇宙学者は、グループの回答によって自分たちの見解が変わることはないと述べた。

データ分析に関する議論が理解しにくいと感じる方は、超新星のデータが宇宙の加速膨張の他の証拠と一致していることに注目すべきです。長年にわたり、ダークエネルギーは、宇宙マイクロ波背景放射と呼ばれる古代の光、重粒子音響振動と呼ばれる宇宙の密度の変動、重力によって歪んだ銀河の形状、そして宇宙における物質の集積から推測されてきました。

サーカー氏らの研究は、「宇宙論的フィッティング問題」に関する確固たる研究体系に基づいている。ダークエネルギー密度（アルバート・アインシュタインの重力方程式ではギリシャ文字のラムダで表される）といった宇宙論パラメータの計算では、宇宙を滑らかなものとして扱い、銀河やボイドといった宇宙の不均一性を平均化する傾向がある。このフィッティング問題は、この近似がラムダのような定数の値について誤った推論につながる可能性があるのか、あるいは存在しないラムダの存在を示唆してしまう可能性があるのかを問うものだ。

しかし、この疑問に関する最新の研究――今夏発表された大規模な宇宙論シミュレーションを含む――は、その可能性を否定している。ジュネーブ大学のルース・デュラー氏（同論文の共著者）は、「不均一性によってラムダは1～2%変化する可能性はありますが、完全に除去することはできません。単純に不可能なのです」と述べている。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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