2000 年代初頭、宇宙学者たちは、宇宙がどのように機能するかという、最大かつ最も複雑なパズルを解決したかに見えました。

「突然、宇宙論のすべての断片がひとつにはじいた、驚くべき瞬間がありました」と彼は語った。 J. コリン・ヒル、コロンビア大学の理論宇宙学者。

銀河とその大きな構造のマッピング、超新星と呼ばれる壊滅的な恒星の爆発の捕捉、変光星までの距離の計算、初期宇宙からの残留宇宙の輝きの測定など、宇宙を研究するあらゆる方法が「重なっているように見える」物語を語っていたとヒル氏は語った。

物語を結びつける接着剤は、その数年前の 1998 年に発見されていた。それは、宇宙を接着するのではなく、どういうわけか時間の経過とともに速度が低下するのではなく、宇宙をますます速く膨張させている神秘的な力である暗黒エネルギーである。科学者がこの宇宙的な何かを宇宙モデルに含めたとき、理論と観察がかみ合いました。彼らは、現在ではラムダ CDM と呼ばれる宇宙論の標準モデルとして知られているものを起草しました。このモデルでは、暗黒エネルギーが宇宙の 70% 近くを占めている一方で、もう 25 つの神秘的な暗黒の実体 (通常の物質とのみ相互作用すると思われる目に見えない質量の一種) が構成されています。重力によるもの - 約 5% を占めます。残りの XNUMX% は、天文学者が何千年も研究してきた星、惑星、銀河など、私たちが見ることができるすべてのものです。

しかし、その静けさの瞬間は、闘争の間の短い休息にすぎませんでした。天文学者が宇宙時間をかけて宇宙をより正確に観察するにつれて、標準模型に亀裂が現れ始めました。トラブルの最初の兆候のいくつかは、以下の測定から生じました。 変光星 & 超新星 近くにある少数の銀河での観測結果は、残存する宇宙の輝きと比較すると、私たちの宇宙が私たちが考えていたのとは異なる法則に従っていること、そして宇宙が飛び散る速度を定義する重要な宇宙論的パラメーターが、宇宙の輝きと比較して変化することを示唆しています。 違う物差しで測ってみる.

宇宙論者たちは問題を抱えていました。彼らはそれを緊張と呼び、より劇的な瞬間には、 危機.

最初の亀裂が発生してから 10 年ほどで、これらの不一致な測定値がより明確になったばかりです。そして、この矛盾は宇宙論の標準モデルに対する唯一の課題ではありません。銀河の観察は、その方法が次のことを示唆している。 宇宙の構造が凝集した 時間の経過とともに、今日の宇宙が初期の宇宙に埋め込まれた種からどのように成長したのかについての私たちの最もよく理解されているものとは異なる可能性があります。そしてさらに微妙な不一致は、宇宙の最初の光の詳細な研究から生まれます。

他にも矛盾はたくさんあります。 「他の場所にももっと小さな問題がたくさんあります」と彼は言いました エレオノーラ・ディ・ヴァレンティノ、シェフィールド大学の理論宇宙学者。 「だから不可解なんです。なぜなら、これらの大きな問題だけが問題ではないからです。」

これらの緊張を緩和するために、宇宙学者は 2 つの補完的なアプローチを採用しています。まず、彼らは宇宙のより正確な観測を続けており、より良いデータが今後の進め方に関する手がかりを明らかにすることを期待しています。さらに、予想外の結果に対応するために標準モデルを微妙に調整する方法を見つけています。しかし、これらの解決策は人為的なものであることが多く、1 つの問題を解決しても、他の問題をさらに悪化させることがよくあります。

「現在の状況は大混乱のようだ」とヒル氏は語った。 「どうすればいいのか分かりません。」

歪んだ光

私たちの宇宙を特徴付けるために、科学者は宇宙学者がパラメータと呼ぶいくつかの数値を使用します。これらの値が参照する物理的実体は、巨大な宇宙機械のすべての歯車であり、各ビットが他のビットに接続されています。

これらのパラメータの 1 つは、質量がどの程度強く凝集するかに関係します。このことは、ダークエネルギーの加速的な外側への押し出しが宇宙質量の重力と衝突するときに、ダークエネルギーがどのように作用するかについて何かを教えてくれます。かたまりを定量化するために、科学者は次の変数を使用します。 S₈。値がゼロの場合、宇宙には変化も構造も存在しないと説明されます。 杉山直、ペンシルベニア大学の観測宇宙学者。風景を分断する蟻塚すらない、平らで特徴のない草原のようなものです。しかし、もし S₈ が 1 に近い場合、宇宙はギザギザした巨大な山脈のようなもので、無の谷によって区切られた高密度の物質の巨大な塊があります。プランク宇宙船による極初期の宇宙（構造の最初の種が定着した場所）の観測では、次の値が見つかりました。 0.83.

しかし、最近の宇宙史の観察は完全には一致しません。

今日の宇宙の塊状性を幼少期の宇宙の測定値と比較するために、研究者たちは物質が空の広い帯にどのように分布しているかを調査します。

目に見える銀河を説明することは一つのことです。しかし、それらの銀河が存在する目に見えないネットワークをマッピングすることは別の話です。そのために、宇宙学者は銀河の光の小さな歪みに注目します。なぜなら、光が宇宙を縫うときにたどる経路は、目に見えない物質の重力によって光が偏向されるため、歪むからです。

これらの歪み（弱い重力レンズとして知られる）を研究することで、研究者は光がたどった経路に沿った暗黒物質の分布を追跡することができます。彼らは銀河がどこにあるかを推定することもできる。天文学者は両方の情報を入手して、宇宙の目に見える質量と目に見えない質量の 3D マップを作成します。これにより、宇宙構造の景観が時間の経過とともにどのように変化し、成長するかを測定できるようになります。

過去数年にわたり、3 つの弱いレンズ調査により、空の広い範囲の地図が作成されました。1 つはチリのアタカマ砂漠にある望遠鏡を使用したダーク エネルギー調査 (DES) です。同じくチリのキロ度調査（KIDS）。そして最近では、ハワイにあるすばる望遠鏡の Hyper Suprime-Cam (HSC) による 5 年間の調査が行われました。

数年前、DES と KIDS の調査により、 S₈ プランクの値よりも低い値は、原初の宇宙のスープが形成したものよりも小さな山脈と低い峰を意味します。しかし、それらは、宇宙の構造がどのように成長し、集合体になるかについての私たちの理解における欠陥を示唆する興味深いヒントにすぎませんでした。宇宙論者はさらに多くのデータを必要としており、すばる HSC の結果が発表されるのを心待ちにしていた。 5つの論文シリーズで 12月インチ

すばる HSC チームは、空の約 416 平方度、つまり 2,000 個の満月に相当する数千万の銀河を調査しました。チームは空の一部で、 S₈ 値 0.78 — 以前の調査の初期結果と一致しており、プランク望遠鏡による初期宇宙の放射線の観測による測定値よりも小さい。すばるチームは、データにさらに XNUMX 年間の観察結果を加えようと取り組んでいるものの、科学者が信頼する統計的有意性のレベルにまだ達していないため、測定結果は緊張を「ほのめかしている」だけであると慎重に述べています。

「これなら S₈ 緊張感は本当に真実ですが、まだ理解できていないことがあります」とスバル HSC 分析の 1 つを主導した杉山氏は語った。

宇宙学者たちは現在、不確実性の原因を探るために観測の詳細を詳しく調べている。まず、すばるチームは、銀河全体の色に基づいてほとんどの銀河までの距離を推定しましたが、これは不正確さにつながる可能性があります。 「[平均]距離の推定値が間違っていれば、重要な宇宙論的パラメータの一部も間違っていることになります」とチームメンバーは述べた。 レイチェル・マンデルバウム カーネギーメロン大学の博士。

さらに、これらの測定は簡単ではなく、解釈が微妙に複雑です。そして、銀河の歪んだ外観と実際の形状との違い（目に見えない質量を特定する鍵となる）は、多くの場合非常に小さいと同氏は述べた。 ダイアナ・スコニャミリオ NASAのジェット推進研究所の。さらに、地球の大気からのぼやけは銀河の形状をわずかに変える可能性があります。これが、スコグナミリオが NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡を使用した弱レンズ解析を主導している理由の 1 つです。

DES チームと KIDS チームの科学者たちはさらに混乱を招いている 最近測定値を再分析しました を一緒に導き出しました S₈ プランクの結果に近い値になります。

ということで、とりあえず写真は汚いです。そして、宇宙論者の中には、さまざまな現象が存在することをまだ確信していない人もいます。 S₈ 測定値は緊張状態にあります。 「大規模な壊滅的な失敗の明らかな兆候はないと思います」とヒル氏は語った。しかし、「何か興味深いことが起こっている可能性はありえないわけではない」と彼は付け加えた。

亀裂が明らかな場所

十数年前、科学者たちは別の宇宙論的パラメーターの測定に問題の兆候があることを最初に発見しました。しかし、ほとんどの宇宙学者が本格的な危機に直面していると確信させるのに十分なデータを蓄積するには何年もかかりました。

簡単に言うと、ハッブル定数として知られる今日の宇宙の膨張速度の測定値は、初期の宇宙から外挿したときに得られる値と一致しません。この難問はハッブル張力として知られるようになりました。

ハッブル定数を計算するには、天文学者は物体がどれくらい離れているかを知る必要があります。近くの宇宙では、科学者は明るさが周期的に変化するセファイド変光星と呼ばれる星を使用して距離を測定します。これらの星のうちの 20 つが最も明るい状態から最も暗い状態に変化する速度と、その星が放射するエネルギーの量との間にはよく知られた関係があります。 XNUMX 世紀初頭に発見されたこの関係により、天文学者は恒星の固有の明るさを計算し、それをその星の見た目の明るさと比較することで、その距離を計算することができます。

これらの変光星を使用すると、科学者は私たちから最大約 100 億光年離れた銀河までの距離を測定できます。しかし、もう少し遠く、そしてもう少し遡って見るために、彼らはより明るいマイルマーカー、つまりIa型超新星と呼ばれる特定のタイプの星の爆発を使用します。天文学者は、これらの「標準キャンドル」の固有の明るさを計算することもでき、それによって数十億光年離れた銀河までの距離を測定することができます。

過去 73 年にわたって、これらの観測は、天文学者が近くの宇宙がどのくらいの速さで膨張しているかを示すのに役立ちました。メガパーセクあたり秒速約 3.26 キロメートルです。つまり、遠くを見ると、メガパーセクあたり (または 73 万光年) ）の距離では、宇宙は秒速 XNUMX キロメートルの速度で飛び去ります。

しかし、その価値観は、幼児宇宙に埋め込まれた別の支配者から派生した価値観と衝突します。

ごく初期の宇宙では、基本粒子とエネルギーのスープであるプラズマが燃え盛っていました。 「大変な状況だった」と彼は言った ヴィヴィアン・プーラン・デトール、モンペリエ大学の宇宙学者。

宇宙の歴史のほんの一瞬、何らかの出来事、おそらくインフレーションとして知られる極度の加速期間が、濁ったプラズマを通して衝撃（圧力波）を送りました。

その後、宇宙が冷えるにつれて、元素プラズマ霧の中に閉じ込められていた光がついに解放されました。その光、つまり宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、凍った湖の表面が時間の経過とともに凍った波の重なり合う頂上を保持しているのと同じように、初期の圧力波を明らかにする、とプーランデトール氏は述べた。

宇宙学者は、これらの凍結圧力波の最も一般的な波長を測定し、それを使用して次のハッブル定数の値を計算しました。 67.6 km / s / Mpc、不確実性は 1% 未満です。

およそ 67 対 73 という奇妙に不一致な値は、宇宙論における激しい議論を引き起こし、未だに解決されていません。

天文学者は独立した宇宙マイルマーカーに注目しています。過去6年間、 ウェンディフリーマン シカゴ大学の博士（彼は四半世紀にわたりハッブル定数の研究に取り組んでいる）は、通常銀河の外側部分に存在するある種の古い赤い星に焦点を当てた。外では、重なり合う明るい星や塵が少ないほど、より鮮明な測定結果が得られます。これらの星を使用して、フリードマンと彼女の同僚は、約 70 km/s/Mpc の膨張率を測定しました。「これは実際にセファイド星団とかなりよく一致しています」と彼女は言いました。 「しかし、それはマイクロ波の背景ともかなりよく一致しています。」

彼女は現在、JWST の強力な赤外線アイを利用して問題に取り組んでいます。彼女は同僚とともに、近くの 11 個の銀河にあるこれらの巨大な赤い星までの距離を測定していると同時に、同じ銀河にあるセファイド星や脈動炭素星の一種までの距離も測定しています。彼らはこの春中に結果を発表する予定だが、すでに「データは本当に素晴らしいようだ」と彼女は語った。

「彼らが何を発見するのか非常に興味があります」と、宇宙モデルの理解に努めているヒル氏は語った。これらの新しい観測は、宇宙論のお気に入りのモデルの亀裂を広げることになるでしょうか?

新しいモデル?

観測によってこれらの重要な宇宙論的パラメーターが制約され続ける中、科学者たちは宇宙の仕組みについての最良のモデルにデータを当てはめようとしています。おそらく、より正確な測定が問題を解決するでしょう。あるいは、張力は、使用されている機器の癖など、ありふれた何かの産物にすぎないのかもしれません。

あるいは、モデルが間違っている可能性があり、新しいアイデア、つまり「新しい物理学」が必要になるでしょう。

「実際にすべてに適合するモデルを考え出すほど我々は賢明ではない」とヒル氏は言う。「実際には、複数の新しい物理学が作用している可能性がある」。

それらは何でしょうか？おそらく、新しい基本的な力場、あるいはまだ理解していない暗黒物質粒子間の相互作用、あるいはまだ宇宙の説明に含まれていない新しい成分であるとヒル氏は述べた。

一部の新しい物理モデルは、電子と陽子が互いに衝突する前の、宇宙の初期の瞬間に宇宙の加速の急増を加えて、暗黒エネルギーを微調整します。 「宇宙初期のほんの少しの間だけ、膨張率を何とかして上げられたら」 マーク・カミオンコウスキージョンズ・ホプキンス大学の宇宙学者は、「ハッブル緊張を解決できる」と述べています。

カミオンコウスキー氏と彼の大学院生の一人は 2016 年にこのアイデアを提案し、その XNUMX 年後に彼らは いくつかの署名の概要を説明した 高解像度の宇宙マイクロ波背景望遠鏡で見ることができるはずです。そして、チリの山にあるアタカマ宇宙望遠鏡は、それらの信号のいくつかを実際に観測しました。しかしそれ以来、他の科学者たちは、このモデルが 問題を引き起こす 他の宇宙の測定値と合わせて。

追加の種類の暗黒エネルギーが一瞬急増してから消えていくという、この種の微調整されたモデルは複雑すぎて何が起こっているのかを説明できないと同氏は述べた。 ドラガン・フテラー、ミシガン大学の理論宇宙学者。そして、ハッブル張力に対する他の提案された解決策は、観測結果とさらに一致しない傾向があります。単純な理論が複雑な理論に勝つ傾向があるという長年の考えに沿わない、あまりに具体的なストーリーのようなものは「絶望的に調整されている」と彼は言った。

来年発表されるデータが役に立つかもしれない。まず最初に挙げられるのは、付近の膨張率をさまざまに調査したフリードマン氏のチームの結果です。そして2025月には、研究者らはこれまでで最大の宇宙論的空調査であるダークエネルギー分光器からの最初のデータを公開する予定だ。今年後半には、アタカマ宇宙望遠鏡チームと、南極望遠鏡を使用して別の原始背景地図を作成している研究者が、より高解像度のマイクロ波背景の詳細​​な結果を発表する可能性があります。より遠い地平線の観測は、XNUMX月に打ち上げられた欧州宇宙機関の宇宙望遠鏡ユークリッドと、チリで建設中の全天マッピングマシンでXNUMX年に完全運用開始となるベラ・C・ルービン天文台から行われる予定だ。

宇宙の誕生は 13.8 億年かもしれませんが、宇宙とその中での私たちの位置を理解しようとする私たちの探求はまだ初期段階にあります。ほんの 15 年前、宇宙論のすべてが調和し、短期間の静けさの中で、それは蜃気楼となった。 XNUMX年前に現れた亀裂は大きく裂け、宇宙論のお気に入りのモデルにさらに大きな亀裂が生じた。

ディ・ヴァレンティーノは「今はすべてが変わった」と語った。

編集者注: この記事で言及されている複数の科学者は、 サイモンズ財団、この編集上独立した雑誌にも資金を提供しています。 サイモンズ財団の資金提供の決定は、私たちの補償範囲に影響を与えません。 詳細は ここで入手可能.