現代宇宙論は単純な仮定の上に成り立っている。すなわち、十分に大きなスケールで見れば、物質は特定の方向に偏ることなく、均等に分布しているはずだというものである。これは宇宙原理として知られている。
地上および宇宙空間に配備された新しい望遠鏡――ダークエネルギー分光装置(DESI)やEuclid――が、これまでにないほど詳細な宇宙地図を提供しつつある今、この仮定をようやく本格的に検証できるようになった。
われわれの新しい論文において、われわれは銀河の分布が現在検証可能な最大スケールにおいても一様にならないという証拠を明らかにした。DESIのデータを用いることで、数十億光年にわたる方向性のあるパターンを発見したのである。
もしこの結果が確認されれば、物理学者はダークマターの正体や、重力が最大スケールでどのように物質を形作るかといった基本的な考え方の見直しを迫られることになる。
これまで驚くほどうまく機能してきたモデル
宇宙原理は標準宇宙論モデルの基盤をなしている。このモデルは宇宙の構成についての指針を与えるものであり、通常物質が約5%、ダークマターが約25%、そしてダークエネルギー(ギリシャ文字のΛで表される)が約70%という内訳である。これは標準的なΛ(ラムダ)冷たいダークマターモデル(ΛCDMモデル)として知られている。
このモデルはこれまで驚くほど成功を収めてきた。例えば、宇宙の膨張の歴史、ビッグバン後の軽元素の形成、そして宇宙が透明になった際に放出された古代の光である宇宙マイクロ波背景放射を、高い精度で説明することができる。
しかし、この成功ゆえに、観測上の緊張(テンション)の高まりはますます無視できないものとなっている。
宇宙膨張の速度はハッブル定数として知られているが、現在の宇宙膨張率についての精密な推定値はすべてが一致しているわけではない。これが、ΛCDMモデルに対する広く議論されている課題であるハッブルテンションを引き起こしている。
James Webb望遠鏡による古代銀河の最近の観測もまた、初期の宇宙構造形成に関するわれわれの理解に疑問を投げかけている。
しかし、多くの研究者が認識している最も厄介な謎は、非常に遠方のクエーサーや電波銀河の分布に見られる、異常に大きなダイポール――すなわち「ある方向とその反対方向」の非対称性――である。これはΛCDMモデルと著しく対立するものである。
さらに昨年、DESIのデータはダークエネルギーの本質そのものに疑問を投げかけた。ダークエネルギーは、これまで想定されてきたような定数ではないかもしれないのである。これは現代宇宙論の基盤を揺るがすものである。
大規模宇宙構造の調査
DESIは、銀河の位置とその赤方偏移(銀河までの距離を示す指標)を測定することで、これまでで最も詳細な三次元宇宙地図の一つを構築しつつある。
われわれの研究が問うのは、観測可能な最大スケールにおいて、物質の分布が本当になめらかで方向性のないものになっているのかということである。言い換えれば、宇宙原理はわれわれの最良のデータによって支持されているのか、という問いである。
これを検証するため、われわれはある手法を用いた。それは、ある銀河から特定の距離・方向にもう一つの銀河が存在する確率を測定するというものである。
われわれはこれをすべての銀河ペアについて計算し、その結果を平均化した。
もし銀河が一様に分布しているならば、これらのペアの方向は均等に分布するはずである。一方、銀河が長いフィラメントや壁状構造の中に位置しているならば、より多くのペアが特定の方向に沿って並ぶことになる。
持続する宇宙網(コズミック・ウェブ)
これをDESIの銀河データに適用したところ、明確な方向性のある信号が見つかった。銀河ペアはランダムに配置されているのではなく、むしろ整列しており、首尾一貫したフィラメントや壁状構造を描き出していたのである。
もしこの信号がより大きなスケールで弱まっていくのであれば、それほど驚くべきことではなかっただろう。しかし実際には、このパターンは巨大な距離にわたって持続しており、最も深い(遠方の)サンプルでは数十億光年にまで及んでいた。
宇宙網は、検証可能な最大スケールにおいても、一様で方向性のない分布へと消えていくようには見えなかったのである。
最大スケールにおいてさえ、宇宙はもやのかかった霧というよりも、絡み合った毛糸玉に近いように見える。
われわれはさらに、この観測結果を標準ΛCDMモデルに基づくシミュレーション宇宙と比較した。その差は顕著であった。シミュレーション宇宙では、物質分布における方向性のあるパターンはより弱く、より小規模であった。それに対し、実際のDESIのデータはより強い構造を示し、それがはるかに大きな距離にわたって持続していたのである。
これが意味すること
われわれの結果が示唆するのは、標準モデルの枠組みの中では、これほど大きな構造が形成されるのに十分な時間がなかったということである。
もし銀河がダークマターを含む質量全体の分布に従っているとすれば、銀河の位置に見られるこのパターンは、宇宙が十分大きなスケールでおおむね一様であるというわれわれの前提に疑問を投げかけるものである。
一つの可能な説明は、ダークマターが最も単純なモデルに含まれる相互作用を超えて、複雑で予想外の形で相互作用している可能性である。
もう一つの説明は、われわれには宇宙についてのより複雑な一般的記述が必要であり、それは大規模な非一様性がより大きな役割を果たすことを許容するようなものだという説明である。
あるいは、答えはまったく別のところにあるのかもしれない。
われわれの結果は、標準宇宙論モデルで想定されているよりもはるかに大きい、数十億光年にわたる首尾一貫した構造を明らかにした。もしこれが確認されれば、宇宙原理に直接違反することになる。
これは、物質が現在考えられているよりもはるかに大きな距離にわたって、大規模なパターンへと組織化されたまま存在し続けていることを示唆している。
次に必要なのは憶測ではなく、測定である。
DESI、Euclid、その他の観測サーベイから得られる今後のデータが重要な鍵を握ることになる。もしこの証拠が今後も持続するのであれば、宇宙論学者たちは構造形成に関する新たなモデルと、最大スケールにおける宇宙像の見直しを迫られることになるかもしれない。
本記事は、カンタベリー大学博士課程候補生氏、エンリコ・フェルミ研究所 研究ディレクターの 氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「The universe is less uniform than we thought – cosmology may need a radical rethink」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。
