宇宙がはかり知れないほど大きいことを考えると、私たちがまだその秘密をすべて解明していないのは理解できるかもしれない。しかし実際には、以前は説明できると考えていたかなり基本的な特徴が、宇宙論者にとってますます理解しがたいものになっている。
最近の宇宙における物質分布（いわゆる大規模構造）の測定結果は、私たちの宇宙の仕組みに関する最良の理解である標準宇宙論モデルの予測と矛盾しているようだ。
標準モデルは約25年前に生まれ、多くの観測結果を再現してきた。しかし、私が研究している大規模構造に関する最新の測定のいくつかは、標準モデルによれば物質がそうあるべきだとされる状態よりも、実際の物質の分布がより均一（滑らか）であることを示している。
この結果に宇宙論者は頭を抱えて説明を探している。測定における未知の系統誤差など、比較的平凡な解決策もある。しかし、より根本的な解決策もある。これらには、ダークエネルギー（宇宙の膨張を加速させる力）の性質の再考、新しい自然の力の導入、さらには最大規模でのEinsteinの重力理論の微調整などが含まれる。
現時点では、データから競合するさまざまな考えを容易に区別することはできない。しかし、今後の調査からの測定結果は、精度において大きな飛躍を遂げようとしている。私たちは標準宇宙論モデルをついに破綻させる寸前にいるかもしれない。
初期宇宙
現在の矛盾の性質とその可能な解決策を理解するためには、宇宙の構造がどのように形成され、その後どのように進化したかを理解することが重要である。私たちの理解の多くは、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の測定から得られている。CMBは宇宙を満たす放射線であり、ビッグバン後の最初の数十万年の宇宙進化の名残である（比較として、宇宙の年齢は137億年と推定されている）。
科学者たちは1964年に偶然CMBを発見した（そしてノーベル賞を獲得した）が、その存在と特性は何年も前に予測されていた。
最も初期の理論的研究のいくつかと見事に一致して、現在観測されるCMBの温度は信じられないほど冷たい3ケルビン（-270°C）である。しかし、非常に初期の時代には、宇宙のヘリウムやリチウムを含むすべての軽元素をより重い元素に融合させるのに十分な高温（数百万度）だった。
CMBのスペクトル（波長別に分解された光）は、過去に物質と熱平衡状態にあったことを示唆している – つまり、エネルギーの分布が同じだったということである。物質と放射が熱平衡に達することができるのは非常に密度の高い環境でのみである。したがって、CMBの測定は、宇宙がかつて極めて高温で密度の高い場所であり、すべての物質と放射が非常に小さな空間に詰め込まれていたことを説得力をもって示している。
宇宙が膨張するにつれて、急速に冷却した。そしてそれが起こるにつれて、当時存在していた自由電子の一部が陽子に捕獲され、水素原子を形成した。この「再結合の時代」はビッグバンの約30万年後に起こった。この時点以降、宇宙の密度が急激に低下したため、CMB放射は障害なく移動できるようになり、それ以来物質とほとんど相互作用していない。
この放射は非常に古いため、今日CMBの測定を行うと、初期宇宙の状態について学ぶことができる。しかし、CMBの詳細なマッピングは、これ以上のことを教えてくれる。
Planck望遠鏡で得られたCMBマップからの重要な洞察は、初期の宇宙が例外的に滑らかだったということである。宇宙の物質と放射の密度と温度には、場所ごとにわずか0.001%の変動しかなかった。より極端な変動があれば、その物質と放射ははるかに集中していたはずである。
これらの変動、つまり「ゆらぎ」は、その後の宇宙の構造進化に根本的に重要である。これらのゆらぎがなければ、銀河も星も惑星も – そして生命も存在しなかっただろう。非常に興味深い疑問は、これらのゆらぎはどこから来たのかということである。
現在の理解では、これらは量子力学、つまり原子と粒子のミクロな世界の理論の結果である。量子力学は、空虚な空間にもある種のバックグラウンドエネルギーがあり、粒子が突然現れたり消えたりするような局所的な変化を可能にすることを示している。物質とエネルギーの量子的性質は、実験室で驚くべき精度で確認されている。
これらのゆらぎは、「インフレーション」と呼ばれる初期宇宙の非常に急速な膨張期間に大規模に拡大されたと考えられているが、インフレーションの詳細なメカニズムはまだ完全には理解されていない。
時間とともに、これらのゆらぎは成長し、宇宙における物質と放射の配置はより集中していった。わずかに密度の高い領域はより強い重力を持ち、さらに多くの物質を引き寄せ、それが密度を高め、重力をさらに強めるという具合だった。わずかに密度の低い領域は負けてしまい、時間とともにより空虚になっていった – 富める者がより富み、貧しい者がより貧しくなるという宇宙版である。
時間とともにゆらぎは大きく成長し、銀河や星が形成され始め、銀河は「宇宙の網」を構成するおなじみのフィラメントやノードに分布するようになった。
標準的な説明
時間とともにゆらぎが成長する速度と、それらが空間的にどのように集中するかは、いくつかの要因に依存する：重力の性質、宇宙の物質とエネルギーの構成要素、そしてこれらの要素がどのように相互作用するか（自身との相互作用および他の要素との相互作用の両方）。
これらの要因は、標準宇宙論モデルに含まれている。このモデルは、Einsteinの一般相対性理論（重力に関する私たちの最良の理解）の解に基づいており、大規模では宇宙が均質かつ等方的であると仮定している – つまり、すべての観測者にとって、あらゆる方向で同じように見えるということである。
また、宇宙の物質とエネルギーが通常の物質（「バリオン」）、比較的重くて動きの遅い粒子からなる暗黒物質（「冷たい」暗黒物質）、そして一定量のダークエネルギー（Einsteinの宇宙定数、Λで表される）で構成されていると仮定している。
約25年前の起源以来、このモデルは大規模な宇宙の多くの観測結果を成功裏に説明してきた。これにはCMBの詳細な特性も含まれる。
そして最近まで、後期の大規模構造の集中に関するさまざまな測定結果にも非常によく適合していた。実際、大規模構造のいくつかの測定結果は今でも標準モデルによってよく説明されており、これが現在の矛盾の起源に関する重要な手がかりを提供しているかもしれない。
CMBは初期の時代の物質の集中（ゆらぎ）を示していることを思い出してほしい。したがって、標準モデルを使ってそれを時間とともに進化させ、理論上今日どのように見えるはずかを予測することができる。この予測と観測結果が一致すれば、標準モデルの要素が正しいことの非常に強力な指標となる。
「S8」矛盾
最近変化したのは、特に非常に後期の時代における大規模構造の測定が大幅に精度を向上させたことである。Dark Energy SurveyやKilo Degree Surveyなどのさまざまな調査が、観測結果と標準モデルとの間に不一致の証拠を見出している。
言い換えれば、初期の時代と後期の時代のゆらぎの間にミスマッチがある：後期の時代のゆらぎが予想ほど大きくないのである。宇宙論者はこの衝突を「S8矛盾」と呼んでいる。S8は後期の宇宙における物質の集中を特徴づけるために使用するパラメータだからである。
特定のデータセットによっては、この矛盾が統計的な偶然である可能性は0.3%ほど低いかもしれない。しかし、統計的な観点からは、それだけでは標準モデルを確実に排除するには不十分である。
しかし、さまざまな独立した観測結果に矛盾の強い兆候がある。そして、測定やモデリングにおける系統的な不確実性によってこれを説明しようとする試みは、これまでのところ単に成功していない。
例えば、以前は、超大質量ブラックホールからの風やジェットなどのエネルギッシュな非重力プロセスが、大規模な物質の集中を変えるのに十分なエネルギーを注入する可能性があると示唆されていた。
しかし、私たちは最先端の宇宙論的流体力学シミュレーション（Flamingoと呼ばれる）を使用して、そのような効果が標準宇宙論モデルとの矛盾を説明するには小さすぎることを示した。
もしこの矛盾が実際に標準モデルの欠陥を指し示しているのであれば、これはモデルの基本的な要素の何かが正しくないことを意味するだろう。
これは基礎物理学に大きな影響を与えるだろう。例えば、この矛盾は重力に関する私たちの理解、あるいは暗黒物質やダークエネルギーと呼ばれる未知の物質の性質について何か間違いがあることを示唆しているかもしれない。暗黒物質の場合、一つの可能性は、未知の力（単なる重力を超えたもの）を通じて自己相互作用しているということである。
あるいは、おそらくダークエネルギーは一定ではなく時間とともに進化しているのかもしれない。Dark Energy Survey Instrument (DESI)からの初期の結果が示唆しているかもしれない。一部の科学者は新しい（第5の）自然の力の可能性さえ考慮している。これは重力と同程度の強さで、非常に大規模で作用し、構造の成長を遅らせる力となるだろう。
しかし、標準モデルのいかなる修正も、モデルが成功裏に説明してきた宇宙の多くの観測結果も説明する必要があることに注意してほしい。これは簡単な仕事ではない。そして、大きな結論を急ぐ前に、この矛盾が実在のものであり、単なる統計的な変動ではないことを確認しなければならない。
良いニュースは、DESI、Rubin Observatory、Euclid、Simons Observatoryなどの実験による大規模構造の今後の測定が、はるかに精密な測定によってこの矛盾が実在するかどうかを確認できるということである。
これらはまた、提案されている標準モデルの多くの代替案を徹底的にテストすることができるだろう。数年以内に、私たちは標準宇宙論モデルを排除し、宇宙の仕組みに関する理解を根本的に変えているかもしれない。あるいは、モデルが立証され、これまで以上に信頼できるものになるかもしれない。宇宙論者にとって、これは興奮する時代である。
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