1992年に博士号を取得した頃、宇宙は謎に満ちていた。我々は宇宙の構成要素すら正確には把握していなかった。1960年代にビッグバンの残光である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）が発見されて以来、宇宙論者はこれらの基本的事実の理解においてほとんど進展がなかったと言えるかもしれない。
博士課程修了後、私はイギリスを離れアメリカでの研究キャリアを開始した。そこで幸運にも、Sloan Digital Sky Survey（SDSS）という新しい実験プロジェクトに参加することができた。この新しい観測は、デジタル技術の進歩を活用し、100万個の銀河の「赤方偏移」（光源が遠ざかるように見えると光がより赤くなる現象）を測定するという野心的な目標を掲げていた。
これらの赤方偏移は距離の測定に用いられ、宇宙論者が宇宙の3次元構造をマッピングすることを可能にした。
1980年代の宇宙の謎の一つは、Margaret GellerとJohn Huchraによる先駆的なCfA Redshift Surveyに基づいて、我々の宇宙近傍における銀河、つまり物質の著しい凝集性だった。銀河は様々なスケールで集まっており、3000万光年以上の長さに及ぶ一貫した「超銀河団」の証拠が見つかっていた。
このような超銀河団が滑らかなCMBからどのように形成されたかを知ることは重要だった。それは宇宙の全物質量を教えてくれ、さらに興味深いことに、その物質が何で構成されているかを示唆するからだ。これは重力が唯一の力であると仮定した場合の話である。
SDSSの第一段階が終わる頃には、我々は100万個の赤方偏移という目標を達成していた。このデータは宇宙中の多くの超銀河団の発見に使用され、その中には驚くべき「スローン大壁」も含まれていた。これは現在知られている宇宙最大の一貫した構造の一つで、10億光年以上の長さがある。
私は世紀の変わり目に起こったこの驚くべき宇宙発見の時代を経験できて幸運だった。SDSSのような観測と、新たなCMB観測、そしてIa型超新星（SNeIa）として知られる遠方の爆発星の探索が重なり、「宇宙は何でできているのか？」という問いに対する明確な答えをもたらした。
ダークエネルギーの発見
1999年から2004年にかけて、宇宙論コミュニティは、宇宙が5%の通常（バリオン）物質、25%のダークマター（未知の不可視物質）、そして70%の「ダークエネルギー」（膨張力）で構成されているという点で一致した。本質的には、Einsteinが最初に提唱した宇宙定数である。宇宙がこの一定のエネルギーに支配されているという発見は、誰もが驚いた。特にEinsteinが宇宙定数を「最大の失敗」と呼んでいたことを考えると。
今日でも、宇宙論者はこれが我々の宇宙の最も可能性の高い構成であると同意している。しかし、私のような観測宇宙論者は、これらの宇宙変数の測定を大幅に改良し、これらの量の誤差を減少させてきた。
Dark Energy Survey（DES）の最新の数字によると、宇宙の31.5%が物質（ダークマターと通常物質の組み合わせ）で、残りが宇宙定数を仮定したダークエネルギーである。この測定の誤差はわずか3%である。
これらの数字をより高い精度で知ることで、宇宙論者が宇宙がなぜこのようになっているのかを理解する助けになることを願っている。なぜ今日の宇宙の70%が「ダーク」（電磁放射で見ることができない）で、宇宙の他のすべてのものとは異なり「物質」に関連していないと予想されるのだろうか？
このダークエネルギーの起源は、20年間の集中的な研究の後でも、物理学最大の課題であり続けている。
興味深い測定結果
私と同様、一部の宇宙論者は過去20年間、他の問題に注意を向けてきた。しかし、2024年は新たな発見の時代の始まりとなる可能性がある。今年、宇宙論者は我々の最良の宇宙論的プローブの2つに基づく新しい結果を発表した。
最初のプローブは、「SNeIa」と呼ばれる爆発星で構成されている。これらの星は質量の範囲が狭いため、その爆発は十分に較正することができ、宇宙論者に予測可能な明るさを与え、遠くからでも見ることができる。これらのSNeIaの既知の明るさを赤方偏移と比較することで、宇宙の膨張の歴史を決定することができる。実際、これらの天体は宇宙の膨張が加速していることを発見する上で重要だった。
2つ目のプローブは、バリオン音響振動（BAO）を観察することで機能する。これはCMB以前の初期宇宙のプラズマ（荷電ガス）における予測可能な音波の名残である。これらは現在、我々の周りの銀河の大規模構造に凍結されている。SNeIaと同様に、その予測可能なサイズを今日観測されるサイズと比較することで、宇宙の膨張の歴史を測定することができる。
最近、DESは10年以上にわたる作業の最終的なSNeIa結果を報告し、何千もの超新星現象を検出し特徴付けた。これらのSNeIa結果は、宇宙が宇宙定数に支配されているという正統的な見方と一致しているが、新しい物理学の可能性、つまりダークエネルギーが宇宙時間とともに変化している可能性を残している。
とはいえ、科学者は懐疑的であるように訓練されており、単一の実験、単一の観測、あるいは単一の宇宙論者のグループさえも信頼しない理由は多い。
宇宙論者は今、データ分析中に結果を自分自身から「ブラインド」にするという非常な努力をしており、最後の瞬間まで答えを明らかにしない。このブラインド化は、無意識の人間のバイアスが作業に影響を与え、人々が見るべきだと信じている答えを得るように促す可能性を避けるために行われる。
これが、結果の再現性がすべての科学の中心にある理由である。宇宙論では、複数の実験がお互いをチェックし、挑戦し合うことを大切にしている。
注目を集めた2つ目の結果は、SDSSの後継者であるDark Energy Spectroscopic Instrument（DESI）による最初のBAO測定だった。最初のDESI宇宙マップは、オリジナルのSDSSよりも深く密度が高い。その最初のBAO結果は興味深い – データだけを見れば依然として宇宙定数と一致しているが、他のデータソースと組み合わせると、時間変化するダークエネルギーの可能性がほのめかされている。
特に、DESIが自身のBAO結果を最終的なDES SNeIaデータと組み合わせて分析すると、時間変化するダークエネルギーの有意性は3.9シグマ（ある仮説が真である場合にデータセットがどれほど異常かを示す尺度）まで上昇する – これは統計的な偶然である確率が0.6%に過ぎないことを意味する。
ほとんどの人がこのような確率なら賭けるだろうが、科学者はこれまでにデータ内の系統的な誤差によって傷つけられてきた。そのような誤差は、このような統計的確実性を模倣する可能性がある。したがって、素粒子物理学者は新しい物理学の主張に対して5シグマの発見基準を要求する – つまり、間違っている確率が100万分の1未満である必要がある。
科学者が言うように：「並外れた主張には並外れた証拠が必要である。」
驚くべき意味合い
我々は新たな宇宙論的発見の時代に入っているのだろうか？もしそうだとしたら、それは何を意味するのか？
最初の質問への答えはおそらくイエスだ。欧州宇宙機関のEuclidミッションからの新しいデータと結果が予定されており、今後数年は宇宙論者にとって楽しいものになるだろう。昨年打ち上げられたEuclidは、すでに前例のない精度で空をスキャンしている。
同様に、DESIはより多くのより良いデータを得ることになり、欧州南天天文台は2025年に独自の大規模な赤方偏移調査を開始する。そして、チリのRubin天文台もまもなく稼働を開始する。これらのデータセットを組み合わせることで、ダークエネルギーが宇宙時間とともに変化するかどうかを疑いの余地なく証明できるはずだ。
もしそうだとすれば、現在よりも過去の方がダークエネルギーが少なかったことを意味する。これはさまざまな原因が考えられるが、興味深いことに、宇宙の現在の加速膨張期の終わりを示唆している可能性がある。
また、ダークエネルギーは空の空間に関連すると考えられている宇宙定数ではない可能性も示唆している。量子力学によれば、空の空間は実際には空ではなく、粒子が出たり入ったりして「真空エネルギー」と呼ばれるものを生成している。皮肉なことに、この真空エネルギーの予測は、我々の宇宙論的観測と何桁も一致しない。
したがって、ダークエネルギーが時間とともに変化することが発見されれば、なぜ観測が非常によく検証された理論である量子力学と矛盾するのかを説明できるかもしれない。これは、ダークエネルギーが一定であるという宇宙論の標準モデルの仮定を再考する必要があることを示唆している。そのような認識は、宇宙に関する他の謎を解決するのに役立つかもしれない – あるいは新たな謎を投げかけるかもしれない。
要するに、今後10年の新しい宇宙論的観測は、新たな物理学的思考の時代を刺激することになるだろう。若い宇宙論者たちに祝福を。楽しい時代の到来だ。
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