宇宙論は破綻しているのか？この地図は重要なパズルのピースとなるかもしれない

何世紀にもわたり、地図製作者たちは地球の陸地と海を地図に描き、世界とその中の自分たちの位置をより深く理解しようと努めてきました。そして今、天体物理学者たちは宇宙そのものについても同様のことを試みる大きな一歩を踏み出しました。彼らはつい最近、宇宙の初期と中期の、これまでで最大規模の高精細地図を完成させたのです。

この地図は、宇宙の膨張速度をめぐる議論と、物質が宇宙全体にどれだけ均等に広がっているかという議論という、二つの宇宙論的危機に新たな光を当てています。ビッグバンにまで遡る光がどのように歪められてきたかを示すことで、宇宙がどれほど速く膨張してきたか、そして重力が銀河団や目に見えない暗黒物質の網のような巨大な構造をどれほど急速に集めてきたかを、これまでで最も明確に示しています。これらの地図は、宇宙の成長に関する標準的な宇宙論モデルと、宇宙構造がどのように成長し、その重力が遠方の天体からの光をどのように曲げるかを説明するアインシュタインの相対性理論を裏付けているように思われます。少なくとも、この地図は宇宙の最初の80億年間についてはこのモデルを裏付けています。その後は、奇妙なことが起こるようです。

「この成果には非常に興奮しています。空の4分の1の高解像度の暗黒物質地図を作成したのです」と、ペンシルベニア大学の科学者で、4月に京都で開催された会議でこの広大な地図を発表したマシュー・マダヴァチェリル氏は語る。彼は、全米科学財団（NSF）が資金提供しているアタカマ宇宙論望遠鏡共同研究グループのメンバーであり、この地図を作成した160人以上のメンバーからなる国際グループの一員である。マダヴァチェリル氏は、現在 アストロフィジカル・ジャーナル誌で査読中の研究チームの新たな研究論文の筆頭著者である。チームは査読プロセスを完了次第、地図を公開する予定だ。

研究チームは、チリ北部のアタカマ砂漠にある成層火山、セロ・トコの斜面に設置された高さ39フィート（約10メートル）のミリ波望遠鏡で天空を観測してきました。セロ・トコは世界で最も乾燥した場所の一つであり、研究者にとってアクセスが容易な場所ではありませんが、その独特な位置により、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）からの光を識別しやすくなっています。

ビッグバンから約38万年後、宇宙はインフレーションと呼ばれる超高速膨張を経て冷え、この埋め込まれた放射線を放出するのに十分なほど冷えました。これらの光子は宇宙を透過し、今日でも非常に長波長で観測可能です。その結果、CMBは宇宙構造の最も初期のスナップショット、つまり生まれたばかりの宇宙の姿を捉えています。

しかし、宇宙の巨大都市とも言える銀河団と暗黒物質の重力によって、この残存放射線は歪められ、ねじれ、揺らめかれます。この現象は重力レンズ効果と呼ばれ、望遠鏡を覗くと宇宙の歪んだ姿が映し出されます。しかし、この現象は天体物理学者にとって大きな恩恵をもたらします。なぜなら、これらの歪みは、宇宙が誕生初期からどのように発展してきたのかを知る手がかりとなるからです。

天体物理学者たちは、CMBにおけるわずかな温度変動を出発点とする標準宇宙論モデルの検証に熱心に取り組んできた。このモデルはそこから宇宙の進化を記述し、宇宙が誕生当初からどのように膨張してきたか、そして暗黒物質と銀河の塊が時間とともにどのように質量を増してきたかを計算している。このモデルは、宇宙に浸透し、何らかの形で宇宙の膨張を加速させる暗黒エネルギーの挙動に関するコンセンサス的な見解と、謎めいて豊富に存在する目に見えない粒子である暗黒物質の特性を前提としている。暗黒物質は、銀河が集積する宇宙の足場を形成する。

しかし、モデルの予測と望遠鏡の観測との間の明白な緊張が本格的な危機に発展し、一部の科学者は標準モデルが何らかの理由で破綻しているのではないかと懸念するに至っています。当初、これらの食い違いは十分に大きく、誰もそれほど心配していませんでした。不確実性が非常に大きかったため、理論の欠陥ではなく、測定ミスの欠陥を示しているように思われました。しかし、過去数年間で測定はより正確になり、より明確な食い違いが浮かび上がってきました。これらの最近の測定は、ハッブル宇宙望遠鏡などによる、特定の種類の星と超新星の位置を非常に予測可能な形で観測したものです。それらは、局所宇宙（地球から数十億光年以内の領域）における宇宙の膨張率が、CMB を使った予測に基づくよりも速いことを示しています。これらの測定が正しければ、モデルが間違っていることになるのでしょうか。天体物理学者はこの食い違いをハッブル定数の緊張と呼んでいます。

そして、これは実は宇宙における二つの論争のうちの一つに過ぎません。もう一つは、巨大な宇宙構造がどれだけの速さで成長してきたかという計算に関するものです。若い宇宙は、スノードームの表面のように非常に滑らかでした。しかしその後、物質の山脈と、物質がほとんど存在しない峡谷が宇宙全体に広がりました。一種の宇宙資本主義のように、銀河や暗黒物質が豊富な最も密度の高い場所はさらに密度が高まり、物質の少ない場所では物質がほとんど存在しなくなりました。

宇宙の凹凸がますます大きくなる中で、これらの山々がどのように形成されたかを特徴づける測定結果も互いに一致していません。そして再び、この不一致はCMBに基づく研究と近傍宇宙の望遠鏡観測に基づく研究を対立させるものとなっています。しかし、これは膨張率危機ほど注目されていません。膨張率危機は統計的に見てより顕著でした。ハッブル・テンションが統計的な偶然の産物から生じる確率は100万分の1程度でしたが、2つ目の不一致は1000分の1程度でした。

ACTマップは、科学者が宇宙の膨張速度とそれらの構造の成長速度の両方を測定できるようにするため、現行モデルの最新の検証として機能し、宇宙の歴史の大部分において、そのモデルが実際にはかなり正確に機能していることを示しています。「このマップは、宇宙論モデルが破綻していないことを示しています。私たちは宇宙構造の成長速度を測定しましたが、それはまさに私たちの予測通りでした」と、プリンストン大学の天体物理学者でACTチームの分析リーダーであるジョー・ダンクリー氏は述べています。

しかし、「ほとんど」という言葉が重要です。ACTチームの研究結果は、欧州宇宙機関（ESA）のプランク望遠鏡などの観測機器を用いたCMBの研究結果と一致しており、これらの観測機器は合わせて宇宙誕生後最初の80億年をカバーしています。しかし、若い宇宙に関するこれらの研究結果と、過去数十億年（宇宙論的に言えば、それはごく最近の過去です）に起こった出来事を追跡した観測結果との間には、依然として大きな矛盾が残っています。

ACTの発見は、過去50億年ほどの間に何かが変化し、宇宙の膨張がわずかに加速し、物質の分布がより不均一になったように見える可能性を示唆しています。これは物理学者の宇宙論的危機に関する見解を覆すものです。なぜなら、CMBに基づくモデルは多くの場合依然として有効であるものの、宇宙の歴史全体にわたって有効ではないことを意味するからです。

「ここに何か新しい物理現象が起こっているかもしれないという、ワクワクする展望があります」とマダヴァチェリルは言う。例えば、標準モデルでは宇宙の約32%が暗黒物質、具体的には比較的ゆっくりと移動する「冷たい暗黒物質粒子」と呼ばれる特殊な粒子で構成されていると仮定されている。しかし彼は、アクシオンと呼ばれる仮説上の粒子など、他の可能性を探る価値があると考えている。アクシオンは非常に軽く、冷たい暗黒物質とは異なる構造を形成する可能性がある。

彼によると、もう一つの考え方は、重力が広大な空間スケールにおいてわずかに異なる影響を及ぼす可能性があるというものだ。もしそうであれば、重力の影響は宇宙の形態形成を徐々に変化させてきたはずであり、アインシュタインの重力理論を修正する必要があるかもしれない。

しかし、このような抜本的な解決策を正当化するには、科学者は測定結果に本当に確信を持たなければなりません。そこで、シカゴ大学の天文学者ウェンディ・フリードマンが登場します。彼女は脈動するセファイド変光星を「標準光源」として用いる専門家です。これらの星は距離と明るさがよく知られており、宇宙の膨張の測定値を較正するために用いることができます。フリードマンと同僚たちは、ハッブル宇宙望遠鏡の10倍の感度と4倍の解像度を持つ強力なジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いて、ハッブル定数の新たな評価を行っています。彼女のチームは、その結果をACTによるハッブル定数の測定値、そしてプランク望遠鏡と南極望遠鏡による過去の測定値と比較する予定です。

それまでは、モデルが破綻しているかどうかを判断する際には慎重さが必要だと彼女は主張する。「正しく理解することが重要です。プランクは非常に高い基準を設定しました。これが本当に矛盾であることを確認するには、同等の精度を持つ局所的な距離スケールの測定が必要です。私たちはそこに近づいていますが、まだ到達していません」とフリードマンは言う。

とはいえ、フリードマン氏は、ACTの測定結果がプランクの測定結果と一致することは、全く異なるプロジェクトであるにもかかわらず、期待できると考えている。「こちらは別の実験です。こちらは異なる検出器を使用し、地上設置型で、周波数も異なり、データを分析するグループも異なります。完全に独立した測定でありながら、両者の測定結果は驚くほど一致しています」と彼女は言う。

宇宙論を専門とするイェール大学のプリヤムヴァダ・ナタラジャン氏をはじめとする他の天体物理学者も、ACTマップに感銘を受けています。「これは素晴らしい成果です」と彼女は言います。

ACT共同研究は宇宙観測の精度を劇的に向上させており、理論家たちは今こそモデリングの精度を高める必要があると彼女は主張する。例えば、今回の新たな発見は、ハッブル・テンションの解決策として提唱されている考え方の一つ、「初期ダークエネルギー」に反する。この理論は、若い宇宙には標準モデルで想定されているよりも多くの、あるいは異なる種類のダークエネルギーが含まれていた可能性があり、それがより強力で初期の膨張を促したと示唆している。しかし、ACTマップが示唆するように、標準モデルが最初の80億年間は成立するならば、この理論は成り立たない。

ナタラジャン氏によると、研究者たちが標準モデルの欠陥を探しているのは、これだけではないという。例えば、JWSTのデータを使用している物理学者の中には、巨大銀河の形成が予想よりも少し早く、構造形成も予想よりも速いペースで進んでいると主張し、宇宙のタイミングの問題を示唆している者もいる。統計的研究では、初期銀河の形成とその中心にあるブラックホールの形成の間に明らかなタイミングの不一致が明らかにされており、これもまた宇宙の時計の問題である可能性がある。「他にも多くの点で緊張関係が浮上しています。これは本当に興味深いことです。これはモデルに疑問を投げかけており、私たちはモデルを精査し、ストレステストを行う必要があります」とナタラジャン氏は言う。

フリードマン氏は、独自の独立したストレステストを開発中です。JWSTを用いて、予測可能なリズムで脈動するセファイド星に基づく測定を行うだけでなく、「赤色巨星枝の先端」と呼ばれる異なる種類の星も使用しています。これらの明るい天体は天の川銀河の外側の、密度の低い領域に多く存在するため、より密度の高い領域にあるものよりも研究しやすいのです。これまでのところ、これらの比較的近い星からの測定結果は、ACTやプランク望遠鏡を用いた研究者が発見した膨張率に近いことを示唆しており、ハッブル・テンションを解消すると考えられます。

フリードマン氏と同僚たちがJWSTを用いた観測を完了するには、おそらく1年かかるだろう。もし彼らの観測結果がCMBに基づく予測と合致しない場合、マダヴァチェリル氏が期待する「新しい物理」を示唆する可能性がある。しかし、もし彼らが従来のモデルを維持すれば、結局宇宙論的危機は存在しないという結果になるかもしれない。