宇宙に浸透する謎の「ダーク」エネルギーがゆっくりと消滅しつつある

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

物理学者たちは、宇宙の膨張を加速させている謎の「ダーク」エネルギーが、時間とともにわずかに弱まっている可能性を示唆する微妙な兆候を導き出した。これは物理学の根幹を揺るがす可能性のある発見である。

「もしこれが本当なら、25年ぶりにダークエネルギーの本質について得られた最初の本当の手がかりとなるだろう」と、1998年にダークエネルギーの共同発見者としてノーベル賞を受賞したジョンズ・ホプキンス大学の天体物理学者アダム・リース氏は語った。

新たな観測結果は、ダークエネルギー分光装置（DESI）チームによるもので、同チームは前例のない規模の宇宙地図と、そこから得られた膨大な測定データを発表しました。多くの研究者にとって注目すべき点は、3つの異なる観測結果の組み合わせが、ダークエネルギーの影響が長い年月をかけて弱まってきた可能性を示唆していることを示すグラフです。

「ダークエネルギーが進化している兆候を我々は目撃している可能性がある」と、DESIチームのメンバーであるボストン大学のディロン・ブラウト氏は語った。

共同研究の内外の研究者たちは皆、証拠が発見を主張するには不十分だと強調している。観測結果は、ダークエネルギーの減少を支持するもので、統計的有意性は中程度だが、追加データがあれば容易に消えてしまう可能性がある。しかし研究者たちは、3つの異なる観測結果がいずれも興味深い方向性を示していることにも言及している。それは、ダークエネルギーを宇宙の真空の固有エネルギー（アルバート・アインシュタインがその不変の性質から「宇宙定数」と名付けた量）とする標準的な考え方とは相容れないものだ。

「とても興奮しています」と、DESIの分析に携わったポーツマス大学の宇宙学者、セシ​​ュ・ナダサー氏は述べた。「もしダークエネルギーが宇宙定数ではないとしたら、それは大きな発見となるでしょう。」

宇宙定数の台頭

1998年、リースのグループは、ソール・パールムッター率いる別の天文学者チームと共同で、超新星と呼ばれる数十個の遠方の死にゆく星の光を用いて宇宙の構造を明らかにしました。彼らは、宇宙の膨張が年齢を重ねるにつれて加速していることを発見しました。

アインシュタインの一般相対性理論によれば、あらゆる物質やエネルギーが宇宙の膨張を駆動できる。しかし、宇宙空間が膨張するにつれて、より広い宇宙に広がるにつれて、あらゆる物質やエネルギーの密度は低下する。密度が低下すると、宇宙の膨張は加速するのではなく、減速するはずである。

しかし、宇宙の膨張によって希釈されない物質が一つあります。それは宇宙そのものです。真空が独自のエネルギーを持っているとすれば、より多くの真空（ひいてはより多くのエネルギー）が生み出されるにつれて、膨張は加速します。これはリースとパールムッターのチームが観測した通りです。彼らが宇宙の加速膨張を発見したことで、宇宙の真空に関連する微量のエネルギー、すなわちダークエネルギーの存在が明らかになりました。

都合の良いことに、アインシュタインは一般相対性理論を発展させる際に、そのような可能性を考慮していました。物質の希薄化による宇宙の崩壊を防ぐため、彼は宇宙全体に一定量の余分なエネルギーが注入されていると想像しました。このエネルギーはΛ記号で表され、ラムダと呼ばれ、宇宙定数と呼ばれます。しかし、アインシュタインの直感は誤りであることが判明しました。宇宙は彼の想像とは釣り合いが取れていないからです。しかし、1998年に宇宙があらゆるものを外側に押し出しているように見えるという発見の後、彼の宇宙定数は復活し、現在の宇宙論の標準モデルの中心となりました。これは「ラムダCDMモデル」と呼ばれる、互いに絡み合った要素の組み合わせです。

「単純な数字です。一つの数字です。それには物語を結びつけることができます。だからこそ、定数だと信じられているのです」と、理論宇宙学者でDESI共同研究チームのメンバーであるリシア・ヴェルデ氏は述べた。

現在、新世代の望遠鏡を操る新世代の宇宙学者たちが、より豊かな物語の最初のささやきを拾い上げつつあるかもしれない。

天空の地図作成

これらの望遠鏡の一つは、アリゾナ州キットピーク山に設置されています。DESIチームは、この望遠鏡の口径4メートルの鏡に5,000本のロボットファイバーを取り付けました。これらのファイバーは天体の目標に向かって自動的に回転します。この自動化により、従来の主力銀河サーベイであるスローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）と比較して、驚異的な速度でデータ収集が可能になりました。SDSSでは、同様のファイバーをパターン化された金属板に手作業で接続する必要がありました。最近の記録的な夜には、DESIは約20万個の銀河の位置を記録することができました。

2021年5月から2022年6月にかけて、ロボットファイバーは宇宙史の様々な時代から地球に到達する光子を吸収しました。DESIの研究者たちはその後、そのデータをこれまでで最も詳細な宇宙地図へと変換しました。この地図には、約20億年前から120億年前（宇宙の138億年の歴史のうち）に存在していた約600万個の銀河の正確な位置が示されています。「DESIは驚異的なデータを生み出す、実に素晴らしい実験です」とリース氏は述べています。

DESIの精密な地図作成の秘密は、銀河のスペクトル（光の色ごとの強度を記録したデータ豊富なグラフ）を収集する能力にあります。スペクトルは、銀河が私たちからどれだけの速さで遠ざかっているか、つまり私たちがその銀河を宇宙史のどの時代に見ているかを明らかにします（銀河の遠ざかる速さが速いほど、古い時代です）。これにより、銀河同士の相対的な位置を特定できますが、地球からの正確な距離で地図を較正するには（宇宙史の完全な再構築に不可欠な情報です）、別の何かが必要です。

DESI共同研究チームにとって、その「何か」とは、初期宇宙から残された凍りついた密度の波紋のパッチワークでした。ビッグバン後の最初の数十万年間、宇宙は主に物質と光でできた熱く濃厚なスープでした。重力は物質を内側に引き寄せ、光は外側に押し出しました。このせめぎ合いによって、スープ内の初期の高密度点から密度の波紋が外側へと広がりました。宇宙が冷え、原子が形成されると、宇宙は透明になりました。光は外側へと流れ、バリオン音響振動（BAO）と呼ばれる波紋はその場に凍りつきました。

最終的な結果は、わずかに密度の高い殻を持つ重なり合う球体の連続でした。その殻の直径は約10億光年で、これはBAOが凍結するまでに移動する時間の長さです。これらの密度の高い殻は、他の場所よりもわずかに多くの銀河を形成し、DESIの研究者が数百万の銀河を地図化すると、これらの球体の痕跡を検出することができます。近くの球体は遠くの球体よりも大きく見えますが、DESIの研究者は球体がすべて同じ大きさであることを知っているので、銀河が地球から実際にどれだけ離れているかを判断し、それに応じて地図のサイズを調整することができます。

研究者たちは、結果に無意識のうちに影響を与えないように、測定値をランダムに並べ替え、物理的なパターンを見えにくくする「ブラインド」分析を実施した。その後、共同研究チームは昨年12月にハワイで会合を開き、結果を解読してキットピークのロボットファイバーがどのような地図を観測したのかを検証した。

英国の自宅からZoomでライブ中継を見ていたナダサール氏は、地図が公開された時、少し奇妙な感じがしたため、興奮を覚えた。「BAOデータに関する十分な経験があれば、標準モデルとは少し異なる何かが必要になることは分かっていたはずです」とナダサール氏は語った。「ラムダCDMだけでは全体像が掴めないことは分かっていました。」

その後の1週間、研究者たちは新しいデータセットを徹底的に調べ、分析し、他の大規模な宇宙論データセットと組み合わせるうちに、異常の原因を発見し、Slackで活発にメッセージを交換した。

「同僚の一人が、このダークエネルギー制約を示す図を投稿しましたが、言葉は一切書いていませんでした。ただ図と爆発する頭の絵文字だけだったんです」とナダトゥール氏は語った。

日間のデータ

DESIは、宇宙史の7つの時代における様々なタイプの銀河の出現を観測することで、宇宙がどのように膨張してきたかを解明することを目指しています。そして、これら7つのスナップショットが、ラムダCDMによって予測された進化とどれほど一致しているかを調べます。また、スナップショット間でダークエネルギーが変化するという理論など、他の理論がどの程度一致しているかについても検討します。

DESIデータの最初の1年だけでも、Lambda CDMはスナップショットを可変暗黒物質モデルとほぼ同等によく適合させます。共同研究チームがDESIマップを他のスナップショット（宇宙マイクロ波背景放射と呼ばれる光や、最近の3つの超新星マップ）と組み合わせることで初めて、2つの理論は乖離し始めます。

結果は、3つの超新星カタログのどれを含めたかによって、ラムダCDMの予測から2.5、3.5、または3.9「シグマ」だけ異なることがわかった。コインを100回投げることを想像してみてほしい。公平なコインの予測は、表が50回、裏が50回だ。もし60回表が出たら、それは平均値から2シグマ離れている。偶然に起こる確率（コインが不正に操作されているのではなく）は20分の1だ。もし75回表が出たら（ランダムに起こる確率は200万分の1）、それは5シグマの結果であり、物理学における発見を主張するためのゴールドスタンダードだ。DESIが得たシグマ値はその中間に位置し、それらはまれな統計的変動であるかもしれないし、ダークエネルギーが変化しているという真の証拠であるかもしれない。

研究者たちはこれらの数字に魅力を感じる一方で、高い数値に過度に注目しないよう警告も発しています。宇宙はコインよりもはるかに複雑であり、統計的な有意性はデータ分析における微妙な仮定に左右されるからです。

熱狂のより強い理由は、3つの超新星カタログ（それぞれがある程度独立した超新星種族を網羅している）すべてが、ダークエネルギーが同じように変化していることを示唆しているという事実だ。つまり、その力が衰えている、あるいは宇宙学者の言葉で言えば「解凍」しているのだ。「これらの補完的なデータセットをすべて入れ替えると、すべてがわずかにマイナスの数値に収束する傾向がある」とブラウト氏は述べた。もしこの食い違いがランダムであれば、データセットはそれぞれ異なる方向を指し示す可能性が高かっただろう。

シカゴ大学の宇宙学者で、DESI共同研究チームのメンバーであり、今回のデータ解析には参加していないジョシュア・フリーマン氏は、ラムダCDMが消滅するのを見るのは嬉しいと述べた。理論家として、彼は1990年代にダークエネルギーの融解理論を提唱し、最近ではダークエネルギーサーベイ（Dark Energy Survey）の共同設立者でもある。このプロジェクトは、2013年から2019年にかけて標準モデルからの逸脱を探索し、DESIが使用した3つの超新星カタログの1つを作成した。しかし、彼は過去に宇宙の異常現象が消失したことで痛恨の思いをしたことも覚えている。「今回の件に対する私の反応は好奇心をそそられるというものですが、誤差が小さくなるまでは、ノーベル賞受賞スピーチを書くつもりはありません」とフリーマン氏は冗談を言った。

「統計的に言えば、この差は消える可能性がある」とブラウト氏はラムダCDMモデルとの差異について述べた。「私たちは現在、それが消えるかどうかを調べるために全力を尽くしている」

今週初めに3年目の観測を終えたDESIの研究者たちは、次回の地図には本日公開された地図のほぼ2倍の銀河が含まれると予想しています。BAO分析の経験が深まったことで、最新の3年間の地図を迅速に公開する予定です。次は、4000万個の銀河を含む5年間の地図です。

DESI以外にも、チリの8.4メートルベラ・ルビン天文台、NASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡、欧州宇宙機関のユークリッド計画など、今後数年間で多数の新しい観測装置がオンラインになる予定だ。

「宇宙論に関するデータは過去25年間で飛躍的に進歩しており、今後さらに大きな進歩を遂げるだろう」とフリーマン氏は語った。

研究者たちは新たな観測結果を積み重ねるにつれて、ダークエネルギーが一世代にわたってそうであったように、今後も一定であることを発見し続けるかもしれない。あるいは、DESIの結果が示唆する方向にこの傾向が続くならば、すべてが変わる可能性がある。

新しい物理学

ダークエネルギーが弱まっているのであれば、それは宇宙定数ではない。むしろ、多くの宇宙論者が宇宙誕生の際の指数関数的膨張のきっかけとなったと考えているのと同じ種類の場である可能性がある。この種の「スカラー場」は、宇宙定数のように一見一定に見えるエネルギー量で空間を満たす可能性があるが、最終的には時間の経過とともに減少し始める。

「ダークエネルギーが変動するという考えは非常に自然です」と、プリンストン大学の宇宙学者ポール・スタインハート氏は述べた。「そうでなければ、ダークエネルギーは私たちが知る限り、時空において絶対的に一定である唯一のエネルギー形態になってしまうでしょう」と彼は続けた。

しかし、その変動は根本的なパラダイムシフトをもたらすだろう。私たちは、宇宙で最もエネルギーが低い状態と定義される真空の中で生きているのではなく、真の真空へとゆっくりと移行していくエネルギー状態の中で生きていることになるのだ。「私たちは真空の中で生きていると思い込んでいますが、誰もそれを約束したわけではありません」とスタインハート氏は述べた。

宇宙の運命は、これまで宇宙定数と呼ばれていた数値がどれだけ速く減少し、そしてどれだけ減少するかにかかっています。もしそれがゼロに達すれば、宇宙の加速は停止します。もしそれがゼロより十分に下がれば、空間の膨張は緩やかな収縮に転じます。これは、スタインハートが提唱したような周期的宇宙論に必要な、ある種の反転です。

弦理論家も同様の見解を共有している。あらゆる事象は弦の振動に帰着するという彼らの提唱により、彼らは異なる次元数や様々なエキゾチックな粒子や力を持つ宇宙を織り合わせることができる。しかし、私たちの宇宙がそうであるように、恒久的に安定した正のエネルギーを維持する宇宙を容易に構築することはできない。弦理論では、エネルギーは数十億年かけて緩やかに減少するか、あるいは急激にゼロまたは負の値に低下する。「基本的に、すべての弦理論家はどちらか一方だと考えている。どちらかは分からない」とハーバード大学のカムラン・ヴァファ氏は述べた。

ダークエネルギーの緩やかな減少を示す観測的証拠は、緩やかな落下シナリオにとって大きな助けとなるだろう。「それは素晴らしいことです。ダークエネルギーの発見以来、最も重要な発見となるでしょう」とヴァファ氏は述べた。

しかし今のところ、そのような憶測はDESI分析に非常に漠然としか基づいていない。宇宙論者は、革命の考えを真剣に検討する前に、さらに何百万もの銀河を観測する必要があるだろう。

「もしこれが証明されれば、宇宙についての新たな、そしてより深い理解への道が開かれるかもしれません」とリース氏は述べた。「今後数年間は、多くの発見があるはずです。」

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。