「太陽の双子」が宇宙の一貫性を明らかにする

時には、地球を理解するために天空に目を向けなければなりません。17世紀、ヨハネス・ケプラーは惑星が太陽の周りを楕円軌道で回っているという洞察を得て、地球の潮汐を左右する力である重力への理解を深めました。19世紀には、科学者たちは太陽光の色を研究し、その独特の性質から、星、そして私たちの周りのすべての物質を構成する原子の量子構造を解明しました。2017年には、重力波の検出により、地球上の金、プラチナ、その他の重元素の多くが中性子星の衝突によって生成されたことが明らかになりました。

マイケル・マーフィーは、この伝統に則って星を研究しています。オーストラリアのスウィンバーン工科大学の天体物理学者であるマーフィーは、温度、大きさ、元素組成において太陽に似た星、いわゆる「太陽の双子」から発せられる光の色を分析しています。彼は、それらの特性から、陽子と電子を引き寄せて原子を形成し、それらが分子へと結合してほぼすべての物質を形成する電磁力の性質について何が明らかになるのかを解明したいと考えています。

特に彼は、この力が宇宙全体、あるいは少なくともこれらの星々の間で一貫して振る舞うのかどうかを知りたいと考えている。 サイエンス誌に最近発表された論文で、マーフィーと彼のチームは星の光を用いて、電磁力の強さを定める数値である微細構造定数を測定した。「星々を比較することで、それらの基本的な物理特性が異なるかどうかを知ることができます」とマーフィーは言う。もし異なるなら、それは私たちの宇宙論の理解に何か問題があることを示唆している。

標準モデルとして知られる標準的な物理学理論は、この定数は真空中の光速や電子の質量といった定数と同様に、どこでも同じであると仮定しています。マーフィー氏は、微細構造定数を様々な状況で測定することで、この仮定に疑問を投げかけています。もし矛盾が見つかれば、研究者が標準モデルを修正するのに役立つ可能性があります。標準モデルは暗黒物質の存在を説明できないため、不完全であることは既に知られています。

この定数を理解するには、電磁力を重力と対比させて考える必要があるとマーフィーは述べています。物体の重力場の強さは質量に依存しますが、重力定数Gと呼ばれる数値にも依存します。この数値は物体の種類に関わらず一定です。同様の数学的法則が、2つの荷電物体間の電磁力にも適用されます。2つの物体は、電荷と互いの距離に基づいて引き合ったり反発したりします。しかし、この力は微細構造定数と呼ばれる数値にも依存します。この数値は物体の種類に関わらず一定です。

これまでのすべての実験は、私たちの宇宙ではその定数が 0.0072973525693 に等しく、不確実性は 10 億分の 1 未満であることを示しています。しかし物理学者は長い間、この数字が全くランダムであるように見えるため、謎と考えてきました。物理理論の他のどの部分も、なぜこの値になるのか、そしてなぜ電磁場がその強さなのかを説明していません。名前に「定数」という言葉が含まれているにもかかわらず、物理学者は微細構造定数が宇宙のあらゆる場所で常に同じ値であるかどうかも知りません。物理学者リチャード・ファインマンは、この数字を「理解できないまま私たちにやってくる魔法の数字」とよく表現しました。マーフィーは次のように言っています。「教科書の後ろに載っていても、これらの数字がどこから来るのか私たちは本当に理解していません。」

研究者が微細構造定数を研究するのは、それが新しい物理学への「非常に明快な近道」となるからだ、と西シドニー大学の天体物理学者ルーク・バーンズ氏は述べる。バーンズ氏は今回の研究には関わっていない。例えば、仮説上の暗黒物質の形態によっては、微細構造定数の値に変動が生じる。「基礎定数の値は謎に包まれており、暗黒物質についてもほとんど分かっていません」とマーフィー氏は言う。「これらの現象は、私たちがまだ知らない一つの根底理論によって結びついている可能性は十分にあります。」

マーフィー氏のチームは、太陽系から160光年以内にある17個の恒星を研究しました。これらの恒星は、中心部で原子核融合反応を起こし、様々な色の観測可能な光を発しています。その光は、恒星の原子が特定の色、つまり波長を吸収することで、恒星の大気中を伝わります。マーフィー氏のチームは望遠鏡のデータを用いて、各恒星の大気中のナトリウム、カルシウム、鉄などの元素によって吸収された光に対応する、欠けている波長を特定しました。これらの恒星は、全く同じ波長の光が欠けているはずです。もし何らかの矛盾があれば、微細構造定数の変動を示唆している可能性があり、それは暗黒物質やその他の未知の物理現象の兆候である可能性があります。

マーフィーの実験は、この定数が…かなり一定であることを示しています。遠方の銀河に焦点を当てたこれまでの天文学的測定では、百万分の一単位の精度が得られていました。マーフィーの研究では、微細構造定数はその値と約50 億分の一単位で一致しました。彼らの結果は、百分率（10の^18乗）単位の精度を達成する原子時計を用いたこの定数の実験室測定を補完するものですが、これらの測定は地上でのみ可能です。

人間が作ったツールの限界を考えると、マーフィーは微細構造定数が 決定的に一定であるとは断言できない。それでも、「微細構造定数の変動が実際にどれほど大きくなるかは、この制限によって制限される」と彼は言う。「素粒子物理学の標準模型を超えるアイデアを持つ場合、それはこの制限に従わなければならない」。

なぜこの数値をこれほど丹念に測るのでしょうか？それは、宇宙の存在がそれにかかっているように見えるからです。微細構造定数の値は、負に帯電した電子と正に帯電した原子核の間の引力を決定します。最も単純な原子である水素を考えてみましょう。水素は単一の電子と単一の陽子が結合しています。この定数の値が大きければ、電子と陽子はより接近します。一方、この値が小さければ、電子と陽子はより離れます。微細構造定数を変えると、私たちが知るすべての原子は異なるものになり、あるいは形成さえされないかもしれません。

例えば、微細構造定数が現在の値の2倍になった場合、正電荷を持つ陽子は大幅に重くなる一方、中性子の質量はそれほど変化しないとバーンズ氏は言います。私たちの宇宙では、自由中性子は約15分で陽子、電子、反ニュートリノに崩壊します。その結果、「大量の陽子が宇宙に漂っています」とバーンズ氏は言います。「それが水素です。そして、それが自身の重力で崩壊すると、星が形成されます。」

しかし、陽子が中性子よりも重い別の宇宙では、中性子は陽子に崩壊することができません。「突然、比較的小さな変化だけで、水素が少なくなり、おそらく星も存在しない宇宙が生まれるのです」と彼は言います。

バーンズは共著者のジェラント・ルイスと共著 『幸運な宇宙』の中で、宇宙をケーキに例えている。「それぞれの材料の量を少し変えるだけで、おいしいケーキができます」と彼らは書いている。「しかし、あまりに大きく変えてしまうと、おそらく食べられないほどひどいものになるでしょう。」微細構造定数は、安定した物質と生命を維持できる宇宙を実現するために、その値がちょうど適切な狭い範囲にあると考えられる要素である。

一部の物理学者は、この定数の一見恣意的な値は、それぞれ異なる微細構造定数を持つ複数の宇宙が存在することを示唆していると考えている。バーンズ氏によると、その理由は地球が生命を維持できる条件を備えている理由と似ているという。「地球はどのようにして太陽から液体の水が存在するのにちょうど良い距離を保つことができたのでしょうか？」と彼は言う。「答えは、宇宙にたくさんの惑星があるということのようです。」宇宙にたくさんの宇宙が存在するため、私たちの宇宙は安定物質にとってちょうど良い微細構造定数を持っているのかもしれません。

バーンズ氏は、多元宇宙についての仮説は研究する価値があると考えているが、これまで物理学者たちは、十分に複雑なモデルや、宇宙の基本定数の正しい値を予測するモデルを開発するのに苦労してきた。

マーフィーの研究対象となった17個の星は、これまでの研究結果と一致する結果を示している。しかし、これらの星は比較的近く、また他の種類の星も数多く存在するため、これらの測定結果は普遍的なものとは程遠い。マーフィーは現在、より多くの星の解析に目を向けている。「今度はもっと遠くまで行って、同じ手法を使いたいのです」と彼は言う。そして、それが普遍定数を特定しようとする際の課題なのかもしれない。それが真に普遍的であることを証明するには、 あらゆる場所を調べなければならないだろう。