物理学者たちは、宇宙をますます速く膨張させている謎の「暗黒」エネルギーが、時間の経過とともにわずかに弱まっている可能性があるという微妙なヒントを導き出しました。これは物理学の基礎を揺るがす可能性のある発見だ。

「これが本当であれば、ダークエネルギーの性質について我々が25年間で得た初めての本当の手がかりとなるだろう」と述べた。 アダムリースジョンズ・ホプキンス大学の天体物理学者で、1998年に暗黒エネルギーの共同発見でノーベル賞を受賞した。

新しい観測結果は、ダークエネルギー分光器 (DESI) チームによってもたらされました。このチームは本日、前例のない範囲の宇宙の地図と、その地図から導き出された大当たりの測定値を発表しました。多くの研究者にとって、ハイライトは、観察の 3 つの異なる組み合わせがいずれも、暗黒エネルギーの影響が永劫にわたって侵食されてきた可能性を示唆していることを示すプロットです。

「ダークエネルギーの進化の兆しが見えている可能性がある」と述べた。 ディロン・ブラウト ボストン大学の博士。DESI チームのメンバー。

共同研究の内外の研究者らは皆、発見を主張できるほど証拠が強力ではないと強調している。この観測結果は、データを追加すると簡単に消えてしまう可能性のある中程度の統計的有意性を備えた、ダークエネルギーの浸食を支持するものです。しかし、研究者らはまた、3つの異なる観測結果がすべて同じ興味深い方向を向いており、その方向は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「宇宙定数」と呼んだ量）としてのダークエネルギーの標準的なイメージとは矛盾していることにも注目している。その変わらぬ性質のため。

「それはエキサイティングだ」と言いました セシュ・ナダトゥール、ポーツマス大学の宇宙学者で、DESI 分析に取り組みました。 「もし暗黒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。」

宇宙定数の上昇

1998年、リースのグループは、ソール・パールマター率いる別の天文学者チームとともに、超新星と呼ばれる数十の遠く離れた死にかけている星の光を利用して、宇宙の構造を明らかにした。彼らは、宇宙の膨張が年齢とともに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引き起こす可能性があります。しかし、宇宙が膨張するにつれて、より広い宇宙に広がるにつれて、よく知られた種類の物質やエネルギーはすべて密度が低くなります。密度が低下すると、宇宙の膨張は加速するのではなく、減速するはずです。

しかし、空間が膨張しても薄まらない物質の一つが空間そのものです。真空にそれ自体のエネルギーがある場合、リース氏とパールマッター氏のチームが観察したように、より多くの真空（したがってより多くのエネルギー）が生成されると、膨張が加速します。彼らの宇宙の加速膨張の発見により、宇宙の真空に関連する微量のエネルギー、つまり暗黒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の開発中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止めるために、彼は宇宙定数と呼ばれるラムダという記号Λで表される一定量の追加エネルギーを宇宙全体に注入できるのではないかと想像しました。アインシュタインの直感は、彼が想像したように宇宙のバランスが取れていないことが判明しました。しかし、宇宙がすべてを外側に押し出しているように見えるという1998年の発見の後、彼の宇宙定数は戻り、現在の宇宙論の標準モデル、つまり「ラムダCDMモデル」と名付けられた一連の絡み合った成分の中心に据えられた。

"それは簡単です。一つの数字ですよ。それに付け加えられるいくつかの物語があります。だからこそ、それは一定であると信じられています」と述べた リシア・ヴェルデ、理論宇宙学者であり、DESI コラボレーションのメンバーです。

今、新世代の望遠鏡を操る新世代の宇宙学者が、より豊かな物語の最初のささやきを拾っているかもしれない。

天空のマッピング

それらの望遠鏡の 5,000 つはアリゾナ州のキットピークにあります。 DESI チームは、望遠鏡の 200,000 メートルのミラーに XNUMX 本のロボットファイバーを装備し、天体の目標に向かって自動的に旋回します。この自動化により、パターン化された金属プレートに手作業で差し込む必要があった同様のファイバーに依存していた以前の主力銀河調査であるスローン デジタル スカイ サーベイ (SDSS) と比較して、超高速のデータ収集が可能になります。最近のある記録的な夜、DESI は XNUMX 近くの銀河の位置を記録することができました。

2021年2022月から6年2月にかけて、ロボットファイバーは宇宙の歴史のさまざまな時代から地球に到着した光子を飲み込んだ。 DESI の研究者たちはその後、そのデータをこれまでに作成された中で最も詳細な宇宙地図に変換しました。これには、約 12 億年前から 13.8 億年前 (宇宙の XNUMX 億年の歴史のうち) の間に存在した約 XNUMX 万個の銀河の正確な位置が示されています。 「DESI は、膨大なデータを生み出す本当に素晴らしい実験です」と Riess 氏は言います。

DESI の高精度マッピングの秘密は、銀河のスペクトル、つまり光の各色相の強度を記録するデータ豊富なプロットを収集する能力にあります。スペクトルは、銀河がどれだけの速さで私たちから遠ざかっていくかを明らかにし、したがって私たちがそれを宇宙史のどの時代に見ているかを明らかにします（銀河が遠ざかる速度が速いほど、銀河は古いことになります）。これにより、銀河を相互に相対的に配置することができますが、地球に対する正しい距離（宇宙の歴史を完全に再構成するために不可欠な情報）で地図を校正するには、別のものが必要です。

DESI コラボレーションにとって、その何かは初期宇宙から残された凍結し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からなる熱く濃厚なスープでした。重力が物質を内側に引っ張り、光がそれを外側に押し出し、その闘争がスープの最初の密度の高い点の散在から外側に広がる密度の波紋を引き起こした。宇宙が冷えて原子が形成されると、透明になりました。光は外側に流れ、バリオン音響振動（BAO）と呼ばれる波紋がその場に固定されました。

最終結果は、直径約10億光年、つまりBAOが凍結するまでに移動できる距離である、わずかに密度の高い殻を持つ一連の重なり合う球体でした。これらの高密度の殻は、他の場所よりもわずかに多くの銀河を形成し続け、DESI 研究者が何百万もの銀河の地図を作成すると、これらの球体の痕跡を検出できるようになります。近い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サイズであることを知っているため、銀河が実際に地球からどのくらい離れているかを把握し、それに応じて地図のサイズを変更することができます。

無意識のうちに結果に影響を与えることを避けるために、研究者らは、物理的パターンを曖昧にするためにランダムに入れ替えた測定値を使用して「ブラインド」分析を実施しました。その後、共同研究者らは昨年 12 月にハワイで会合を開き、結果を解読し、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かを確認しました。

英国の自宅からZoomでライブ中継を見ていたナダトゥールさんは、地図が公開されたとき、少し奇妙に思えてスリルを感じたという。 「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ものが必要になることがわかるでしょう」と Nadathur 氏は言います。 「Lambda CDM が完全な全体像ではないことはわかっていました。」

翌週、研究者らが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的データセットと混合したところ、奇妙さの原因を発見し、Slack メッセージを大量に交換した。

「私の同僚の一人は、このダークエネルギーの制約を示すプロットを投稿しましたが、何も書いていませんでした。プロットと爆発する頭の絵文字だけです」とナダトゥール氏は語った。

数日間のデータ

DESI は、宇宙史の 7 つの時代に出現したさまざまな種類の銀河を観察することにより、宇宙が時間の経過とともにどのように拡大したかを突き止めることを目的としています。次に、これら 7 つのスナップショットが Lambda CDM によって予測された進化とどの程度一致しているかを確認します。彼らはまた、スナップショット間でのダークエネルギーの変化を許容する理論など、他の理論がどの程度うまく機能するかについても検討します。

初年度の DESI データだけでも、Lambda CDM は可変ダークマター モデルとほぼ同様にスナップショットに適合します。 2 つの理論が乖離し始めるのは、コラボレーションによって DESI マップと他のスナップショット (宇宙マイクロ波背景として知られる光および一連の最近の 3 つの超新星マップ) が組み合わされて初めてです。

彼らは、結果がラムダ CDM の予測から 2.5、3.5、または 3.9 「シグマ」だけ異なることを発見しました。これは、含まれている 100 つの超新星カタログのどれに依存します。コインを50回投げることを想像してください。公正なコインの予測は、表 50 と裏 60 です。 1 個の頭が得られた場合、それは平均から 20 シグマ離れています。 (コインが不正に操作されるのではなく) 偶然に起こる確率は 75 分の 1 です。2 個の表が出た場合 (ランダムに起こる確率は XNUMX 万分の XNUMX です)、これは XNUMX シグマの結果です。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。 DESI が取得したシグマ値は、その中間に位置します。それらはまれな統計的変動、またはダークエネルギーが変化していることの本当の証拠である可能性があります。

研究者らは、これらの数字を興味をそそられる一方で、より高い値を深読みしすぎないように警告しています。宇宙はコインよりもはるかに複雑で、統計的な有意性はデータ分析における微妙な仮定に依存します。

熱狂のより強力な理由は、3 つの超新星カタログすべてが、ある程度独立した超新星集団にまたがっていることですが、暗黒エネルギーが同じように変化していること、つまりその力が弱まっており、宇宙学者が言うように「解凍」していることを示唆しているという事実です。 「これらの相補的なデータセットをすべて交換すると、それらはすべてこのわずかに負の数に収束する傾向があります」とブラウト氏は述べた。不一致がランダムである場合、データセットは異なる方向を指す可能性が高くなります。

ジョシュア・フリーマンシカゴ大学の宇宙学者であり、データ分析には携わっていなかったDESIコラボレーションのメンバーである彼は、ラムダCDMが衰退するのを見てうれしいだろうと述べた。理論家として、彼は 1990 年代にダーク エネルギーの解凍理論を提案し、最近ではダーク エネルギー調査を共同設立しました。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調査し、XNUMX つの超新星カタログ DESI の XNUMX つを作成しました。使用済み。しかし、彼はまた、過去に消滅した宇宙異常によって火傷を負ったことも覚えています。フリーマン氏は「これに対する私の反応は興味をそそられることだ」が、「間違いが小さくなるまでは、（ノーベル賞の）受賞スピーチを書くつもりはない」と冗談を言った。

「統計的に言えば、それは消滅する可能性があります」とブラウト氏はラムダ CDM モデルとの不一致について述べた。 「私たちは今、それが実現するかどうかを調べるために全力を尽くしています。」

今週初めに40年目の観測を終えた後、DESIの研究者らは、次の地図には今日発表された地図のほぼXNUMX倍の銀河が含まれると予想している。そして現在、彼らは BAO 分析の経験を積んでおり、更新された XNUMX 年間のマップを迅速に公開する予定です。次に登場するのは、XNUMX 万個の銀河の XNUMX 年間の地図です。

DESI 以外にも、チリの高さ 8.4 メートルのベラ・ルービン天文台、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ミッションなど、多数の新しい機器が今後数年でオンラインになる予定です。

「宇宙論における私たちのデータは過去 25 年間で大きな進歩を遂げており、これからさらに大きな飛躍を遂げようとしています」とフリーマン氏は述べています。

研究者らは新たな観測結果を蓄積するにつれて、暗黒エネルギーが一世代にわたって一定しているように見え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傾向が続く場合、すべてが変わる可能性があります。

新しい物理学

暗黒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あり得ません。むしろ、それは、多くの宇宙学者が宇宙誕生の際に指数関数的膨張の瞬間を引き起こしたと考えているのと同じ種類の分野である可能性があります。この種の「スカラー場」は、宇宙定数のように、最初は一定に見えるエネルギー量で空間を満たしますが、時間の経過とともに最終的には減少し始めます。

「ダークエネルギーが変化しているという考えは非常に自然です」と彼は言いました。 ポール・スタインハート、プリンストン大学の宇宙学者。そうでなければ、それは、空間と時間において絶対的に一定である、私たちが知っている唯一のエネルギー形態になるでしょう。」と彼は続けた。

しかし、その変動性は、重大なパラダイムシフトを引き起こすでしょう。私たちは、真空と定義されるような真空の中で生きているわけではありません。 宇宙の最低エネルギー状態。代わりに、私たちは真の真空に向かってゆっくりとスライドしていくエネルギーを与えられた状態で生活することになります。 「私たちは自分たちが真空の中で生きていると考えることに慣れています」とスタインハート氏は言う。「しかし、誰もそんなことは約束しませんでした。」

宇宙の運命は、これまで宇宙定数として知られていた数値がどれだけ早く減少するか、そしてそれがどこまで減少するかによって決まります。それがゼロに達すると、宇宙の加速は停止します。もしそれがゼロを十分に下回ると、空間の膨張はゆっくりとした収縮に変わるだろう、これは宇宙にとって必要な一種の逆転である。 宇宙論の周期理論、スタインハートによって開発されたものなど。

超弦理論の学者も同様の見解を持っています。すべては弦の振動に帰結するという彼らの提案により、さまざまな次元数とあらゆる種類のエキゾチックな粒子と力を備えた宇宙を織り交ぜることができるのです。だけどあの人達 簡単に建設できない 私たちの宇宙がそうであるように、安定したポジティブなエネルギーを永久に維持する宇宙です。代わりに、ひも理論では、エネルギーは数十億年にわたって緩やかに降下するか、ゼロまたは負の値に激しく降下する必要があります。 「基本的に、すべての弦理論学者は、どちらか一方であると信じています。どちらなのかは分かりません」と語った。 クムルン・ファファ ハーバード大学。

ダークエネルギーが徐々に減少するという観測証拠があれば、緩やかな降下シナリオにとっては恩恵となるだろう。 「それはすごいですね。それはダークエネルギーそのものの発見以来、最も重要な発見となるだろう」とヴァファ氏は語った。

しかし今のところ、そのような憶測は最も緩やかな方法でのみ DESI 分析に根ざしています。宇宙学者は革命について真剣に考える前に、さらに何百万もの銀河を観察する必要があるだろう。

「これが維持できれば、宇宙についての新たな、潜在的により深い理解への道が開かれる可能性がある」とリース氏は語った。 「今後数年間で、多くのことが明らかになるはずです。」