ダークエネルギーが時間とともに変化するという証拠が増えている

昨年、私たちはダークエネルギー分光装置（DESI）の最初のデータ分析結果から、新たな物理学の刺激的なヒントが得られたことを報告しました。それは、ダークエネルギーが一定ではなく、時間とともに変化する可能性があるというものです。確かに、これらのヒントは発見と呼べるほどの水準には達しておらず、「もし真実ならば、非常に大きな発見」というレッテルを貼られるにとどまりました。

しかし現在、DESIから得られるデータがさらに増え、他のデータセットと組み合わせることで、それらのヒントは著しく強力になっています。テキサス大学ダラス校のムスタファ・イシャク＝ブシャキ氏は、DESIワーキンググループの共同議長を務めており、動的ダークエネルギーの確認は「後戻りできない地点に達している」と述べています。イシャク＝ブシャキ氏と他のDESIチームメンバー数名は、本日カリフォルニア州アナハイムで開催されたアメリカ物理学会のグローバル物理学サミットで、この研究結果を発表しました。また、関連論文が物理学arXivにもいくつか投稿されています。

アインシュタインの宇宙定数（ラムダ）は、反発的な重力の存在を示唆していました。（宇宙定数の歴史とダークエネルギーにおけるその重要性についてのより詳細な議論については、2024年の私たちの記事をご覧ください。）量子物理学によれば、最も空虚な真空でさえ、「仮想」粒子の形でエネルギーに満ちており、それらは瞬時に現れたり消えたり、複雑な量子ダンスの中で飛び散ったり集まったりしています。この仮想粒子の渦巻く海はダークエネルギーを生み出し、宇宙にさらなる推進力を与え、加速を続けることができる可能性があります。問題は、量子真空があまりにも多くのエネルギー、およそ10の¹²⁰倍ものエネルギーを含んでいることです。

したがって、もしダークエネルギーが本質的に宇宙定数であるならば、宇宙は実際よりもはるかに速く加速しているはずです。しかし、これまでの観測結果はすべて、ダークエネルギーが一定であることを示しています。これまでのところ、最もよく当てはまる理論的モデルは、ラムダCDMモデルとして知られており、これは弱い相互作用をする冷たいダークマターとダークエネルギーの両方を組み込んでいます。別の理論の一つは、宇宙は「クインテッセンス」と呼ばれる変動するダークエネルギーで満たされている可能性があると提唱しています。また、ダークエネルギーの密度が宇宙の歴史を通じて変化してきたと仮定する、他のいくつかのモデルも存在します。

宇宙の始まりの頃、宇宙は水素とヘリウムの原子核、いわゆる重粒子を含む、高温で密度の高い亜原子粒子のスープでした。初期の電離プラズマには、微小な揺らぎによって波紋のような模様が描かれ、宇宙が膨張して冷えるにつれて、このプラズマは三次元空間へと凍結しました。これらの波紋、あるいは泡は、重粒子音響振動（BAO）として知られています。BAOを一種の宇宙の定規として用いることで、宇宙の歴史におけるダークエネルギーの影響を調べることが可能です。

DESIはまさにそれを目的として設計されました。110億年にわたる銀河やクエーサーまでの距離を測定することで、これらの泡の見かけの大きさ（近距離と遠距離の両方）を正確に測定します。そして、そのデータを細分化することで、過去の各時点における宇宙の膨張速度を決定し、ダークエネルギーが宇宙の膨張にどのような影響を与えていたかをより正確にモデル化します。

上昇傾向

昨年の成果は、宇宙の7つの異なる時間区分から得られた1年間分のデータの分析に基づいており、45万個のクエーサーを含み、これは過去最大規模です。最遠方の時代（80億年から110億年前）の精度は0.82%という記録的な数値を達成しました。ランバCDMモデルとは基本的に一致していましたが、初年度の結果を他の研究（宇宙マイクロ波背景放射やIa型超新星を含む）のデータと組み合わせると、微妙な差異がいくつか現れました。

本質的に、これらの差異はダークエネルギーが弱まっている可能性を示唆していました。信頼性の観点から見ると、DESIのデータとCMBデータセットを組み合わせた場合、結果は2.6シグマレベルに達しました。超新星データを追加すると、これらの数値は、使用した超新星データセットに応じて、2.5シグマ、3.5シグマ、または3.9シグマレベルにまで増加しました。

DESIのデータを他の独立した測定結果と組み合わせることが重要だと、ウォータールー大学のDESI共同スポークスパーソン、ウィル・パーシバル氏は述べています。「様々な実験から、現在の宇宙に存在する物質の量や宇宙の膨張速度について、同じ答えが得られるはずです。すべての実験がラムダCDMモデルと一致していても、異なるパラメータが得られれば意味がありません。それでは意味がありません。ラムダCDMと一致していると言うだけでは不十分です。ラムダCDMと一致し、そのモデルの基本的な特性について同じパラメータが得られなければなりません。」

これらの最新の結果は、最初の3年間の収集データ、つまり約1500万個の銀河とクエーサーを網羅しています。今回も、DESIデータのみでLambda CDM、すなわちダークエネルギーが一定であることと一致しました。また、CMB、超新星、弱い重力レンズ効果の研究など、他のデータセットと組み合わせることで、ダークエネルギーが時間とともに変化している可能性を示唆する強い兆候が現れました。信頼水準は、データセットの組み合わせに応じて2.8シグマから4.2シグマの範囲で、5シグマの閾値をわずかに下回ります。

一般市民にとっては漸進的な進歩に見えるかもしれないが、現実はもっと複雑だ。「DESIデータ自体は漸進的なものではない」とパーシバル氏は語る。「現在、1年分ではなく3年分のデータがある。これは面積の拡大だけでなく、重複部分の増加によっても相当なものだ。私たちの調査方法は、天空にプレートを積み上げるというものだが、1年ではなく3年の運用期間を経て、これらの重複部分が大幅に埋められる。つまり、より多くのパッチで到達すると予想される深度まで深くまで到達したという意味で、私たちのデータははるかに完全になる。結果として、私たちのBAO測定自体も大幅に向上する。面積と深度のバランス次第で、2倍から3倍の精度向上が見られるのだ。」

スコットランド王室天文学者のキャサリン・ヘイマンズ氏は、Ars誌に対し、これらの新たな結果により、科学者たちはDESIの分析にさらに大きな信頼を寄せるようになったと語った。ヘイマンズ氏は昨年の初公開結果がこれほどまでに注目を集めたことに驚いたと述べ、「最初のデータが公開されるたびに、科学界は必ず結果を疑ってかかる」と付け加えた。しかし、DESIはデータを公開し、他の科学者たちが昨年から独自の分析を行ってきた結果、DESIは厳密な検証に耐えてきたのだ。

「動的ダークエネルギーの真に強力な意義は、DESI標準物差し、BAO、そして超新星データの組み合わせから生まれます」と彼女は付け加えた。「これらは宇宙の膨張率を測定する2つの異なる方法です。この2つを組み合わせることで、動的ダークエネルギーの強力な検出が可能になるのです。」

DESI共同研究の次のステップは、5年間分のデータを分析して、発見の閾値である5シグマへの上昇傾向が維持されているかどうかを確認することです。もしかしたら、その閾値を超える可能性さえあるかもしれません。そうなれば、非常にエキサイティングなことです。パーシバル氏によると、それはおそらくあと2年は起こらないでしょう。ヘイマンズ氏によると、もし5シグマに到達すれば、天文学者は近い将来、より高い赤方偏移でDESIと同様の実験を行う予定のユークリッド宇宙望遠鏡のデータで同様の結果を見ることができると期待できるとのことです。

「これは非常に幅広い可能性を切り開きます」と、ダークエネルギーが時間とともに変化することが確認された場合の影響についてパーシバル氏は述べた。「理論家たちは今後何年も喜ぶでしょう。科学者としては、少しは冷静に判断したいものです。しかし、もしこれが正しければ、ダークエネルギーの発見後の次のステップとなります。ラムダ理論は機能します。そして今、ラムダ理論は機能しません。これは、このプロセスについてより多くの情報が得られることを意味します。すべてがラムダ理論と完全に一致することを示してしまうのではないかと人々は懸念していたと思います。しかし、もし加速度がどのように変化するかという詳細において実際に何かが起こっているのであれば、それは非常に刺激的です。なぜなら、私たちはその物理を理解できるからです。」

「あの動的ダークエネルギーの原因となる根本的な根拠が全くなく、それが私を不安にさせています」とヘイマンズ氏は述べた。「まるで観測者が理論家に挑戦状を叩きつけているようなものです。二つのダークエンティティを一挙に説明できれば素晴らしいのですが。宇宙論モデルに亀裂が生じたことに興奮しています。なぜなら、この方法が理論界に既成概念にとらわれず、新しいアイデアを生み出すよう促すからです。もしかしたら、それがダークエンティティの難問全体を解決してくれるかもしれません。だからこそ、私たちはここにいるのです。」

このストーリーはもともと Ars Technica に掲載されました。