遠方で爆発する超新星と呼ばれる星からの光を観測することで、天文学者たちは1998年に宇宙が単に膨張しているだけでなく、その膨張が加速していることを発見した。しかし、この加速の背後にあるものは何なのか？
ここでダークエネルギーが登場する。これは現代物理学における最も議論され、興味をそそる未解決のパズルの1つであり、空間全体に一様に存在すると考えられている謎めいたエネルギーの形態である。現代宇宙論で最も受け入れられているモデルでは、ダークエネルギーが宇宙の加速膨張を引き起こしているとされている。
しかし、ダークエネルギーを必要としない別の説明は存在しないのだろうか？超新星のデータを用いた最近の研究では、そのような説明が実際にあり得ることを示唆している。それは「タイムスケープモデル」と呼ばれるものである。
この発見は宇宙についての我々の理解に重大な挑戦を突きつける可能性があるため、詳しく見ていこう。
ダークエネルギーとは何か？
現代宇宙論の基礎となっているのは、ラムダ-コールドダークマター（Lambda-CDM）モデルである。これは、ギリシャ文字のラムダ（Λ）で表されるダークエネルギーが宇宙の加速膨張の背後にあるメカニズムであるとする宇宙を記述したものである。
このモデルでは、銀河は何とも相互作用しない重い粒子でできた目に見えないダークマターの網の影響下で共に「ダンス」をしている。このコールドダークマターの効果は重力を通じてのみ観測できる。
ダークエネルギーは宇宙の全エネルギー収支のほぼ70%を占めているが、その正確な性質は物理学における最大の謎の1つのままである。
一部の解釈では、ダークエネルギーは真空のエネルギーと関連している可能性があると示唆しており、他の研究では空間全体に広がる新しい進化するエネルギー場として説明しようと試みている。
また、国際的なDESI共同研究グループによる最近の研究では、ダークエネルギーが時間とともに弱まっている可能性があることが示唆された。
現在の重力理論（アインシュタインの一般相対性理論）が不完全である可能性もある。宇宙論的スケール（数百万から数十億光年の距離）での重力相互作用を記述するために拡張が必要かもしれない。
タイムスケープモデルとは何か？
物質（ダークマター、ガス、銀河、星団、超銀河団）は宇宙全体に一様に分布していない。
しかし、Lambda-CDMモデルでは、宇宙は均質かつ等方的であると仮定する。つまり、宇宙スケールでは、物質の分布は滑らかで一様に見える。全体のスケールの大きさを考えると、見つかるかもしれない塊や隙間は重要ではないと考えられる。
対照的に、タイムスケープモデルは物質の不均一な分布を考慮に入れる。このモデルは、銀河、銀河団、フィラメント、広大な宇宙の空隙で構成される複雑な宇宙の網が、我々が宇宙の膨張をどのように解釈するかに直接影響を与えると示唆している。
これは、宇宙が均一に伸びているわけではないことを意味する。
タイムスケープモデルによると、宇宙の膨張率は密度に応じて地域ごとに異なる。
タイムスケープモデルの重要なパラメータは「空隙率」である。これは膨張する空隙が占める空間の割合を定量化するものである。
重力の法則により、空隙は密度の高い領域よりも速く膨張する – 空隙には膨張を抑制する物質が少ないため、空間がより自由に伸びることができる。これにより、Lambda-CDMモデルでダークエネルギーに起因するとされる加速膨張を模倣できる平均的な効果が生まれる。
簡単に言えば、タイムスケープモデルは、宇宙の膨張が加速しているように見えるのは見かけ上のことかもしれないと示唆している。膨張速度は宇宙のどこにいるかによって異なる。
研究は何を発見したのか？
新研究の著者たちは、Pantheon+データセットと呼ばれるIa型超新星の最大級のコレクションの1つを調査した。これらの超新星は、宇宙論モデルを検証するための信頼できる基準である。
研究チームは2つの主要なモデルを比較した：標準的なLambda-CDM（宇宙の「バニラ」レシピ）とタイムスケープモデルである。
近傍の明るい超新星を見た場合、タイムスケープモデルは標準モデルよりも優れた説明を提供した。これは統計的なものであり、統計解析は「非常に強い」優位性を示した。
より遠方の超新星を調べた場合でも（そこではものごとがより均一に分布しているはずだが）、タイムスケープモデルは通常のモデルよりもわずかに優れた結果を示した。
要するに、宇宙の「塊と隙間」が宇宙の成長の見え方をどのように変えるかに焦点を当てるタイムスケープモデルは、宇宙の膨張の真の性質をよりよく捉えているかもしれない。これは特に近傍の宇宙について言える – 我々の近くには多くの空隙とフィラメントがあり、それらが膨張の見え方に影響を与えるだろう。
では、証拠はどの程度強力なのか？
重要な注意点がある。この分析は特異速度 – 超新星の測定に影響を与える可能性のある銀河のわずかなランダムな運動 – を考慮していない。また、より明るい超新星は単に検出が容易であるため、データに含まれる可能性が高いというマルムキスト・バイアスも考慮されていない。
これらの潜在的な誤差の原因は、結果に重大な影響を及ぼす可能性がある。さらに、この研究は最新のDES5yr超新星データセットを使用していない。DES5yrはPantheon+よりもデータ収集の一貫性と均一性が高く、比較にはより信頼性が高い可能性がある。
Lambda-CDMモデルを支持する証拠は超新星以外にもあり、特にバリオン音響振動と重力レンズ効果が重要である。今後の研究ではこれらをタイムスケープモデルに組み込む必要がある。
しかし、この新研究により、タイムスケープモデルはLambda-CDMに対する興味深い代替案を提供している。結論として、宇宙の加速は物質の不均一な分布による錯覚であり、大きな宇宙の空隙が密度の高い領域よりも速く膨張しているということである。
もしこれが確認されれば、宇宙論における革命的なパラダイムシフトを意味することになるだろう。
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