Albert Einsteinの提唱した一般相対性理論は、何十年にも渡る実験や観測によってその正確さが証明されており、惑星の動きからブラックホールの存在、ビッグバンまで、我々が暮らすこの宇宙の重力を記述する最も優れた理論であり続けている。
だが今回、何十億光年という超巨大なスケールの宇宙の加速膨張に関して、この理論による予測値と、実際の観測値との間に矛盾が生じてしまうことが明らかになった。一般相対性理論を否定するかのようなこの現象を、研究者らは「宇宙の不具合」と呼び、その謎を解明しようとしている。
宇宙の果てでは重力が異なる作用を起こしている
「宇宙のスケール、銀河団やそれ以上のスケールで重力を理解しようとすると、一般相対性理論の予測との明らかな矛盾に遭遇します。まるで、重力そのものがEinsteinの理論と完全に一致しなくなってしまうかのように。私たちはこの矛盾を『宇宙の不具合』と呼んでいます。何十億光年という距離を扱うと、重力は約1パーセント弱くなるのです」と、このプロジェクトの筆頭著者であり、最近ウォータールー数理物理学を卒業したRobin Wen氏は説明する。
この“不具合”が実際に存在するならば、それは宇宙の最大の謎のいくつかを説明するのに役立つかもしれない。
研究チームは、宇宙マイクロ波背景放射（CMB)のデータを精査しているときに、この“不具合”を発見したと言う。
宇宙マイクロ波背景放射とは、宇宙全体で見ることができる最も古く、最も遠い光であり、ビッグバンにの残光だ。研究者らはこれを用いて、最初の銀河がどのように形成されたかや、ビッグバン直後に何が起こったかなど、宇宙の初期段階を理解しようとしている。
Wen氏らは、一般相対性理論に基づいたモデルを使用して、それが予測するCMBデータと、実際に観測されたCMBのデータを比較した。すると、実際の宇宙で観察されるデータと一般相対性理論で導かれる予測とが一致しなかったのだ。
ウォータールー大学の天体物理学教授であり、Perimeter Instituteの研究者であるNiayesh Afshordi氏は、一般相対性理論に単純な「注釈」を追加することでこれを改善できると提案している。彼とその同僚は、この注釈が観測された大規模な矛盾を説明するだけでなく、宇宙の膨張率や銀河団の豊富さなど、ハッブル定数の緊張を緩和する可能性があると述べている。
ハッブル定数の緊張とは、宇宙の膨張率の矛盾した測定結果を指すものだ。現在の物理の標準モデルによれば、宇宙の膨張率はどこでも同じであるはずである。しかし、近くの宇宙の観測結果は、遠くの宇宙の領域よりも膨張率が速いことを示している。天文学者は複数の可能な説明を提案しているが、まだ一つに定まっていない。
「この新しいモデルは、私たちが空間と時間を超えて解き始めている宇宙のパズルの最初の手がかりかもしれません」とAfshordi氏は述べている。
「ほぼ1世紀前、天文学者は宇宙が膨張していることを発見しました。遠くの銀河ほど速く動いており、Einsteinの理論で許される最大速度である光速に近い速度で移動しているようです。我々の発見は、その非常に大きなスケールでは、Einsteinの理論も不十分である可能性を示唆しています。」と、Afshordi氏は述べている。
20年以上にわたり、物理学者や天文学者は一般相対性理論の見かけ上の矛盾を説明する数学モデルを作成しようとしてきた。その一例が、ロンドンのインペリアル・カレッジの理論物理学者Claudia de Rhamによって提案された「質量のある重力」理論である。もう一つは、修正ニュートン力学（MOND）であり、ダークマター理論の代替として開発されたものである。さらに、ビッグバン後の最初の10万年間にダークエネルギーがはるかに強力であったと提案するいくつかの初期のダークエネルギー理論もある。
これらの他の理論のように、データの不一致に基づいて駆動されるのではなく、今回彼らが提案する「宇宙の不具合」モデルは、近年発展してきたEinsteinの重力理論重力に対する特定の基本的な理論的挑戦から派生していると、Afshordi氏は述べている。Wen氏は、「これは一般相対性理論への注釈のようなものと考えてください。宇宙規模に達すると、適用される条件があります」と述べている。
Afshordi氏は、今後数年間で、CMBステージ4観測所とユークリッド宇宙望遠鏡が宇宙波背景と10億光年にわたる数十億の銀河の新しい観測データを収集する予定であり、Afshordi氏とその同僚が計算に使用したものよりも4倍の精度を持つと述べている。
「もし宇宙のバグが存在するなら、それが明らかになるのに十分なデータが得られるでしょう」と彼は述べている。
論文
- Journal of Cosmology and Astroparticle Physics: A cosmic glitch in gravity
参考文献
- University of Waterloo: A ‘cosmic glitch’ in gravity
- via Business Insider: A ‘cosmic glitch’ in the universe is forcing astronomers to rethink Einstein’s theory of relativity
研究の要旨
宇宙論的スケールの一般相対性理論を修正するモデルについて研究する。具体的には、例えばHořava-Lifshitz提案やアインシュタイン・エーテルの枠組みで動機づけられているように、宇宙論的（超水平）領域とニュートン的（準水平）領域の間の重力定数に「グリッチ」を持たせる。これは，標準的なΛCDMモデルに暗黒エネルギー成分を追加するのと等価であるが，この成分のエネルギー密度はどちらかの符号を持つことができる。プランク衛星からのデータにフィッティングしたところ、負の寄与が実際好ましいことがわかった。さらに，銀河サーベイにおけるバリオン音響振動スケールのフィッティングを損なうという犠牲は払うものの，スーパーホライズン重力をおよそ1%弱くすることで，宇宙論的観測におけるハッブル緊張とクラスター緊張をいくらか緩和できることがわかった。したがって、われわれのモデルが提供するパラメトリックの自由度は、さらなる探求に値するものであり、われわれは、統計的不確実性を4分の1に減らすことによって、この潜在的な宇宙の重力の不具合を、今後の観測によってどのように解明できるかについて議論する。
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