宇宙には、不可思議で巨大で畏敬の念を抱かせる天体が数多く存在する。太陽の何十億倍もの質量を持つ超大質量ブラックホールが巨大銀河の中心に居座っている。巨大な恒星が激烈な衝突で破局的に爆発し、その光が100億光年以上離れた場所から届く。巨大銀河同士が衝突・合体し、途方もない星形成の爆発を引き起こす。
しかし、宇宙論者が目にするものの中で最も不可思議なものの一つが、宇宙のボイド（cosmic voids）だ。ボイドは、宇宙の大規模構造の特徴である。
宇宙の大規模構造に向き合うということは、宇宙の途方もないスケールと、地球がいかに小さいかに向き合うことでもある。我々は、恐らく1000億個以上、場合によっては数千億個もの惑星を含む銀河系の中の、たった一つの小さな惑星にすぎない。これは膨大な数であり、銀河系のどこかに生命が存在するはずだと考える人がいる理由の一つでもだ。
だが、天の川銀河は、銀河の局所銀河群に属する一つの銀河にすぎない。局所銀河群は、おとめ座銀河団の一部であり、おとめ座銀河団には最大で2,000個の銀河が含まれる。おとめ座銀河団は、おとめ座超銀河団の一部であり、おとめ座超銀河団には少なくとも100の銀河団が含まれる。そして、おとめ座超銀河団はラニアケア超銀河団の一部であり、さらにラニアケア超銀河団は、うお座—くじら座超銀河団複合体の一部である。くじら座超銀河団複合体に含まれる銀河の数を数えることは不可能だが、そこには数百の銀河団と銀河群が含まれている。
これらの銀河、銀河群、銀河団、超銀河団はすべて、宇宙のダークマター濃集に沿ったフィラメントの中に存在している。
これらすべてのフィラメントの間には、ボイドがある。ボイドとは、銀河に縁取られた、宇宙に浮かぶ巨大な泡のような空洞である。直径は数億光年に達し得る。完全に空というわけではなく、まれに銀河が存在することもある。しかし全体としては、宇宙の他の領域に見られる物質密度の10%未満しか含まない。
これらの巨大ボイドは、宇宙の膨張を駆動している謎の力であるダークエネルギーを研究する上で重要である。ボイドは、宇宙の中でも物質密度が高い領域より速く膨張する。宇宙論者は、ボイドの大きさが時間とともにどう変化するか、またその縁辺部で銀河がどのように動くかを測定し、それらの観測をダークエネルギーの理論モデルと照合して検証できる。
ボイドは物質がはるかに少なく、その結果として重力も弱い。ゆえにボイドは、重力の効果からDEの効果をより分離しやすい、より“純粋”な領域である。総じて、ボイドの成長に関する統計は、ダークエネルギーの強さが時間とともにどのように変化しているのかを説明する助けになり得る。
ダークエネルギーの研究は、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡の目標の一つである。同望遠鏡は、バリオン音響振動、弱い重力レンズ、Ia型超新星（Type 1a supernova）の観測を用いてDEを調べる。非常に広い視野を持ち、赤外で観測する。これら三つの独立した手法を同時に用いることで、宇宙構造を詳細にマッピングし、宇宙のボイドも含めて描き出すのである。
The Astrophysical Journalに掲載された新しい研究は、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡 がボイドをどれほど検出できるか、そしてそれらの観測が宇宙のボイド統計にどのような制約を与えるかを予測している。論文タイトルは「Cosmology with Voids from the Nancy Grace Roman Space Telescope」だ。筆頭著者は、Flatiron InstituteおよびNew York UniversityのGiovanni Verzaである。
著者らは論文で次のように書いている。「宇宙のボイド、すなわち銀河分布において物質密度が低い領域は、宇宙論パラメータに対して非常に厳密な制約を与えます」望遠鏡は初めて、「数メガパーセク規模にまで及ぶ、極めて高品質な宇宙ボイドのサンプル」を提供するという。著者らによれば、ローマンの観測は宇宙ボイド科学に新しい窓を開く。
Verzaと共同研究者は、次のようにも書いている。「ボイドは最初にダークエネルギーが支配的となる領域であるため、ダークエネルギーの性質に対して高い感度を持つことが期待されます」これは、ローマンが行うボイドに関する制約測定が、ダークエネルギーに対して重要な制約を与えることを意味する。
ローマンは空の3種類のサーベイを実施する。その一つがHigh-Latitude Wide-Area Surveyであり、弱い重力レンズを用いて宇宙膨張を探る。
研究者らはシミュレーションを用いて、ローマンのHigh-Latitude Wide-Area Surveyがどのように機能するかを予測した。名称にあるHigh-Latitudeは、天の川銀河の銀河面から離れた方向を観測することを意味する。Verzaらは、このサーベイの期間中にローマンが数万個の宇宙ボイドを検出し、その一部は直径がおよそ2,000万光年程度にすぎないだろうと述べている。彼らは研究の中で次のように説明している。「私たちは、2,000平方度の銀河ライトコーンの中で82,551個のボイドを検出しています」
このサーベイでは、望遠鏡のWide-Field Instrumentを用いて、ボイドの縁にある銀河のスペクトルを取得する。これにより宇宙論的赤方偏移が決定され、空での位置と組み合わせることで、ボイドの三次元形状が明らかになる。
「ボイドは、そこに存在する銀河が非常に少ないという事実によって定義されます。したがって、ボイドを検出するためには、非常に疎で暗い銀河を観測できなければなりません。ローマンによって、ボイドを構成する銀河をより詳細に調査できるようになり、最終的には、それらを形作っているダークエネルギーのような宇宙論パラメータについて、より深い理解が得られるでしょう」Roma Tre UniversityおよびローマのINFN（the National Institute of Nuclear Physics）のGiulia Degniは共同著者としてこのように述べた。
ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡 は、ESAのEuclid missionとも連携して観測を行う。Euclidのワイドサーベイは空の約14,000平方度をカバーし、極めて広い視野を提供する。一方でローマンは空の2,000平方度を観測するが、Euclidよりはるかに深く観測する。Euclidは可視光と赤外光で観測し、ローマンは赤外のみで観測する。その意味で両者は、異なる距離にある異なる銀河集団に感度があるため、互いをうまく補完し合う。さらにVera Rubin Observatoryも協力に加わり、サーベイ領域は他の二つの望遠鏡と重なることになる。
我々はいまだにDEの正体を正確には知らない。しかし、宇宙の大規模構造に対するDEの影響をマッピングすることは、宇宙におけるDEの作用の理解に制約を与える助けになる。もしこのシミュレーションが示すようにローマンが82,000個を超える宇宙ボイドを見つけて測定できるなら、DEがどのように宇宙の加速膨張を駆動してきたのかについて、我々はより多くを学ぶことになりそうである。
研究者らは次のように結論づけている。「ローマンを想定したモックデータに対する初の包括的な解析によって、本研究は、ローマンのボイドを用いて宇宙論パラメータを高い精度で独立に制約するための道を切り開くものです」