ビッグバンの残光が目に見えない宇宙構造を明らかにする

ビッグバンから約40万年後、生まれたばかりの宇宙の原始プラズマは、最初の原子が合体できるほど冷え、そこに埋め込まれた放射線が自由に飛び回る空間が生まれました。その光、すなわち宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、今も空を四方八方に流れ続け、初期宇宙のスナップショットを放ち続けています。この光は専用の望遠鏡で捉えられ、古いブラウン管テレビの雑音の中にさえ現れます。

科学者たちは1965年にCMB放射を発見した後、その微細な温度変化を綿密にマッピングしました。これは、宇宙がまだ泡立つプラズマだった頃の正確な状態を示していました。現在、科学者たちはCMBデータを再利用し、宇宙が成熟するにつれて数十億年かけて形成された大規模構造をカタログ化しています。

「その光は宇宙の歴史の大部分を経験しており、それがどのように変化したかを観察することで、さまざまな時代について学ぶことができる」と、SLAC国立加速器研究所の宇宙学者キミー・ウー氏は述べた。

CMBからの光は、約140億年にわたる旅の過程で、その行く手に立ちはだかるあらゆる物質によって引き伸ばされ、圧縮され、歪められてきました。宇宙論者たちは、CMB光の主要な変動を超えて、銀河やその他の宇宙構造との相互作用によって残された二次的な痕跡に着目し始めています。これらの信号から、彼らは通常の物質（原子で構成されるすべてのもの）と謎に包まれた暗黒物質の分布について、より鮮明な見解を得ています。そして、これらの洞察は、長年の宇宙論の謎を解明し、新たな謎を提起するのに役立っています。

「CMBは宇宙の初期状態を教えてくれているだけでなく、銀河そのものについても教えてくれるということがわかってきました」と、SLACの宇宙論者でもあるエマニュエル・シャーン氏は述べた。「そして、それが非常に強力な情報源であることが分かっています。」

影の宇宙

恒星から放射される光を追跡する標準的な光学サーベイでは、銀河の背後にある質量の大部分を見逃してしまう。これは、宇宙を構成する物質の大部分が望遠鏡では見えないためだ。つまり、暗黒物質の塊、あるいは銀河間を繋ぐ拡散した電離ガスとして、視界から隠れているのだ。しかし、暗黒物質と散在するガスはどちらも、CMB光の倍率と色に検出可能な痕跡を残す。

「宇宙はまさに影絵劇場のようなもので、銀河が主役でCMBがバックライトになっている」とシャーン氏は語った。

影のプレーヤーの多くが今や復活しつつある。

CMBからの光粒子、つまり光子が銀河間のガス中の電子に散乱されると、より高いエネルギーに押し上げられます。さらに、これらの銀河が膨張宇宙に対して運動している場合、CMB光子は銀河団の相対運動に応じて、上方または下方に2度目のエネルギーシフトを受けます。

熱的効果と運動学的効果として知られるこの2つの効果は、1960年代後半に初めて理論化され、過去10年間で精度向上を遂げてきました。SZ効果は、CMB画像から読み取ることができる特徴的なシグネチャーを残し、科学者が宇宙に存在するあらゆる通常物質の位置と温度をマッピングすることを可能にします。

最後に、弱い重力レンズ効果として知られる3つ目の効果は、CMB光が質量の大きい天体の近くを通過する際にその進路を歪ませ、まるでワイングラスの底を通して見ているかのようにCMBを歪ませます。SZ効果とは異なり、レンズ効果は暗黒物質であろうとなかろうと、あらゆる物質に敏感です。

これらの効果を総合することで、宇宙学者は通常の物質と暗黒物質を区別することが可能になります。そして、科学者たちはこれらの地図を銀河探査の画像と重ね合わせることで、宇宙までの距離を測り、さらには星形成の過程を辿ることさえできるようになります。

2021年に発表された関連論文の中で、シャーン氏と、現在フランスのストラスブール天文台に所属するステファニア・アモデオ氏率いるチームは、このアプローチを応用しました。彼らは、欧州宇宙機関（ESA）のプランク衛星と地上のアタカマ宇宙論望遠鏡によって取得されたCMBデータを調べ、それらのマップの上に約50万個の銀河の光学サーベイデータを重ね合わせました。この手法により、通常の物質と暗黒物質の配列を測定することができました。

分析の結果、この領域のガスは、多くのモデルが予測したほど、それを支える暗黒物質ネットワークに密着していないことが示された。むしろ、超新星爆発や超大質量ブラックホールからの爆発によって、ガスは暗黒物質の塊から押し出され、薄く冷たくなりすぎて従来の望遠鏡では検出できないほどに広がったことを示唆している。

CMBシャドウ内の拡散ガスの発見は、科学者がいわゆる「失われた重粒子問題」への取り組みをさらに進める上で役立っています。また、拡散する爆発の強度と温度の推定値も得られ、科学者たちは現在、このデータを用いて銀河進化と宇宙の大規模構造のモデルを改良しています。

近年、宇宙論者たちは、現代宇宙における物質の分布が理論予測よりも滑らかであるという事実に困惑している。シャーン、アモデオらによる最近の研究が示唆するように、銀河間ガスを循環させる爆発のエネルギーが科学者の想定よりも高い場合、これらの爆発が宇宙全体に物質をより均一に拡散させた一因となっている可能性があると、コロンビア大学の宇宙論学者でCMBのシグネチャー研究も行うコリン・ヒル氏は述べている。ヒル氏とアタカマ宇宙論望遠鏡の同僚たちは、今後数ヶ月以内に、天空のカバー範囲と感度の両方が大幅に向上したCMBシャドウの最新地図を公開する予定だ。

「この地図でできることは、まだほんの始まりに過ぎません」とヒル氏は語った。「これまでの地図と比べて、驚くほど進歩しています。これが現実だとは信じられません。」

未知の影

CMBは、宇宙の起源、構成、そして形状を理解するために研究者が用いる中心的な枠組みである宇宙論の標準モデルを確立する上で重要な証拠の一つでした。しかし、CMBのバックライト研究は今、その標準モデルに穴を開ける恐れがあります。

「このパラダイムは、つい最近まで精密測定の試練に耐えてきました」と、マックス・プランク天体物理学研究所の宇宙学者で、2001年から2010年にかけてCMBの地図を作成したウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機（WMP）のメンバーとしてこの理論の確立に尽力した小松英一郎氏は述べた。「私たちは今、宇宙の新しいモデルの岐路に立っているのかもしれません」

過去2年間、小松氏と同僚たちは影絵芝居の舞台に新たな登場人物の兆候を探ってきた。その兆候はCMB光波の偏光、つまり向きに現れる。標準宇宙論モデルによれば、光波は宇宙を旅する間、偏光、つまり向きは一定であるはずだ。しかし、ショーン・キャロル氏らが30年前に理論化したように、その偏光は暗黒物質、暗黒エネルギー、あるいは全く新しい粒子の場によって回転する可能性がある。そのような場は、異なる偏光の光子を異なる速度で移動させ、光の正味の偏光を回転させる。これは「複屈折」として知られる特性で、液晶画面を実現する結晶など、特定の結晶に共通している。2020年、小松氏のチームはCMBの偏光に約0.35度の小さな回転を発見したと報告した。昨年発表された追跡研究は、この以前の結果を裏付けるものとなった。

偏光研究や銀河の分布に関する他の研究結果が確認されれば、宇宙はあらゆる観測者にとってあらゆる方向から見て同じように見えるわけではないことが示唆されます。ヒル氏をはじめとする多くの人々にとって、どちらの研究結果も魅力的ではあるものの、まだ決定的なものではありません。これらのヒントを調査し、潜在的な交絡効果を排除するための追跡研究が現在進行中です。中には、様々な影をさらに詳しく調査するための専用の「逆光天文学」宇宙船を提案する研究者もいます。

「5～10年前、宇宙論は終わったと考えられていました」と小松氏は述べた。「しかし今は変わりつつあります。私たちは新たな時代に入りつつあるのです。」

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。