宇宙はビッグバンから約140億年前に膨張を始め、天文学者たちはダークエネルギーと呼ばれる目に見えない力によって、その膨張が加速していると考えている。
しかし、本日発表されたダークエネルギー分光観測装置（Dark Energy Spectroscopic Instrument: DESI)の新たな結果によると、ダークエネルギーは時間とともに変化している可能性があるという。
この結果が確認されれば、現在の宇宙論が覆される可能性があり、宇宙の最終的な運命に重大な影響を与えるかもしれない。極端なシナリオでは、進化するダークエネルギーによって宇宙の膨張が「ビッグリップ」で引き裂かれるほど加速するか、あるいは「ビッグクランチ」で内側に崩壊する可能性がある。
世界70の機関から900人以上の研究者が参加するDESIプロジェクトのメンバーとして、私はダークエネルギーの結果の分析と解釈に関わってきた。
ダークエネルギーの新たな姿
1998年に初めて発見されたダークエネルギーは、宇宙空間に浸透し、宇宙を加速度的に膨張させているある種のエッセンスである。宇宙学者たちは一般的にこれが一定であると仮定してきた：過去も未来も同じだと考えられていた。
一定のダークエネルギーという仮定は、広く受け入れられているラムダCDM宇宙モデルに組み込まれている。このモデルでは、宇宙の構成要素のうち私たちが見ることができる通常の物質はわずか5%にすぎない。さらに25%は間接的にしか検出できない目に見えないダークマターである。そして宇宙の大部分—驚くべきことに70%—がダークエネルギーである。
DESIの結果は、ダークエネルギーについての手がかりを与える唯一のものではない。Ia型超新星と呼ばれる種類の爆発する星や、宇宙を通過する光の経路がゆがむ様子（いわゆる弱い重力レンズ効果）からも証拠を見ることができる。
ビッグバンのかすかな残光（宇宙マイクロ波背景放射として知られる）の測定も重要である。これらはダークエネルギーやその進化を直接測定するものではないが、宇宙の構造とエネルギー含有量についての手がかりを提供し、他のデータと組み合わせることでダークエネルギーモデルの検証に役立つ。
新しいDESIの結果がこれらの宇宙論的データすべてと組み合わされると、ダークエネルギーが私たちが考えていたよりも複雑であるという兆候が見られる。
ダークエネルギーは過去にはより強く、現在は弱まっているように思われる。この結果はラムダCDMモデルの基盤に挑戦するものであり、宇宙の未来に深遠な影響を与えるだろう。
DESIがどのように宇宙を地図化するか
DESIプロジェクトはアリゾナ州のキットピーク国立天文台に拠点を置いている。その目標は、これまでで最も広範な宇宙の3D地図を作成することである。
そのために、最大5,000の遠方の銀河から同時に届く光の周波数を正確に測定する強力な分光器を使用している。これにより天文学者は銀河がどれだけ遠くにあるか、そしてどれだけ速く移動しているかを判断できる。
銀河を地図化することで、バリオン音響振動と呼ばれる大規模な分布における微妙なパターンを検出できる。これらのパターンは宇宙の膨張の歴史を測定するための宇宙定規として使用できる。
これらのパターンを時間の経過とともに追跡することで、DESIは宇宙の膨張率がどのように変化したかを地図化できる。
DESIは計画された5年間の宇宙探査の半分しか終えておらず、調査が進むにつれてデータを順次公開している。
新しい結果は、1,400万以上の銀河とクエーサーと呼ばれる明るく輝く銀河核からの測定を含む2回目のデータバッチに基づいている。このデータセットは110億年という宇宙時間の窓をカバーしており、宇宙がわずか28億歳だった時代から現在までを網羅している。
新しいデータ、新しい課題
新しいDESIの結果は、最初のデータバッチで見られたものと比較して大きな前進を示している。収集されたデータ量は2倍以上に増加し、これにより測定の精度が向上し、発見がより信頼性の高いものとなった。
最初のデータバッチからの結果では、ダークエネルギーが単純な宇宙定数のように振る舞わない可能性があるという兆候が見られたが、確固たる結論を導くほど強いものではなかった。今や、2回目のデータバッチによってこの証拠はより強固になった。
結果の強さは、特に含まれる超新星データの種類など、どの他のデータセットと組み合わせるかによって異なる。しかし、これまでのところ、どのデータの組み合わせも、物理学者が新しい発見の確認マーカーとして使用する典型的な「5シグマ」の統計的閾値を満たしていない。
宇宙の運命
それでも、より多くのデータでこのパターンがより明確になっているという事実は、より深い何かが起きている可能性を示唆している。データや分析に誤りがなければ、これはダークエネルギーについての理解—そしておそらく宇宙論の標準モデル全体—を修正する必要があることを意味するかもしれない。
ダークエネルギーが時間とともに変化しているならば、それは宇宙の最終的な運命に深遠な影響を与える可能性がある。
ダークエネルギーが時間とともに強くなれば、宇宙は「ビッグリップ」シナリオに直面する可能性があり、そこでは銀河、星、さらには原子が増加する膨張率によって引き裂かれる。ダークエネルギーが弱まるか反転すれば、膨張は最終的に減速するか、さらには反転して「ビッグクランチ」につながる可能性がある。
次のステップは？
DESIは合計4,000万の銀河とクエーサーからデータを収集することを目指している。追加データにより統計的精度が向上し、ダークエネルギーモデルをさらに洗練させるのに役立つだろう。
今後のDESIのデータリリースと独立した宇宙論的実験は、これが宇宙についての理解の根本的な転換を表すかどうかを判断する上で重要となるだろう。
将来のデータにより、ダークエネルギーが実際に進化しているのか、あるいは現在の兆候が単なる統計的な異常なのかを確認できるだろう。ダークエネルギーがダイナミックであることが判明すれば、アインシュタインの一般相対性理論を超えた新しい物理学が必要となり、素粒子物理学と量子重力の新しいモデルへの扉が開かれるかもしれない。
