自然の定数（光速など、物事の振る舞いを決定する数値）は、宇宙の膨張とともに時間とともに変化するのだろうか？光は広大な宇宙距離を移動する際に少し疲れるのだろうか？ダークマターとダークエネルギーがこれらの宇宙現象を説明すると考えられていたが、最近の研究では、我々の宇宙がダークマターやダークエネルギーなしで膨張していることが示されている。

ダークマターとダークエネルギーを排除することで、サイズや年齢に関する期待に沿わない銀河を説明しようとする際に生じる「不可能な初期銀河問題」が解決される。銀河分布を含む既存の宇宙観測に適合するダークマターとエネルギーの代替案を見つけることは可能である。

ダークマター

ダークマターは、重力を除いて通常の物質とは一切相互作用しない仮説上の物質形態である。これは我々の天体物理学的および宇宙論的観測を説明するための理論的な方法として提案された。通常の物質はダークマターを抵抗なく通過でき、その逆も同様である。

宇宙では、重力が物体の軌道速度を決定する。周囲の軌道物体から予想されるよりも高い速度は、ダークマターの存在とその重力に起因すると考えられている。

ダークマターの重力は、通常の物質と同様に光線を曲げ、重力レンズ効果を引き起こすこともできる。これにより、銀河や銀河団などの曲げを引き起こす物体内のダークマターの測定が可能になる。

ダークマターの存在を支持する最も強力な証拠は、宇宙マイクロ波背景放射（ビッグバンからの残存放射）に観測される微小な変動であり、これは徐々に高い精度で測定されている。

ダークマターの存在を支持するもう一つの論拠は、宇宙の大規模構造（銀河など）が、宇宙の限られた年齢内でダークマターなしでは形成できないというものである。

代替理論

多くの天体物理学的観測を説明するダークマターの代替案がある。最も古く、人気のある理論は修正ニュートン力学（MoND）で、これはニュートンの重力引力の逆二乗法則が完全な力の簡略版であり、ニュートン力が無視できるほど小さくなる非常に大きな距離でのみ知覚可能になると提案している。

もう一つの代替案は、Einsteinの相対論的効果を含むMoNDの版で、宇宙マイクロ波背景放射などMoNDが限界を持つ観測を説明する。さらに、そのような観測に適合すると主張する遅延重力の提案理論もある。

天文学者たちは、多くの観測がダークマターの完全な不在やダークマター欠乏構造を示していることに驚いている。これはその存在に疑問を投げかける。

そうなると、何が問題を引き起こした可能性があるのか、例えば近くを通過する銀河による潮汐力がダークマターを剥ぎ取ったなどの説明を見つける必要がある。最近では、天の川銀河の質量さえも宇宙論から予想されるよりもはるかに小さいと判断されている。

ダークマターは存在するのか？

最近の発見はダークマターの存在に疑問を投げかけている。広範な研究と数十億ドルの投資にもかかわらず、ダークマターの直接検出は一切行われていない。

ダークエネルギー理論は物質の重力引力を否定し、観測されるように宇宙が時間とともに加速的に膨張する原因となっている。共変結合定数（CCC）と呼ばれる自然定数の相互関連変動は、重力引力や他の自然の力を時間とともに弱めることで同じ効果を達成し、ダークエネルギーの必要性を排除する。

光が疲労効果（TL）によってエネルギー損失の結果減速するという考えと組み合わせると、このような宇宙モデルにはダークマターの余地がない。CCCアプローチは、ビッグバン後の宇宙の極めて急速な膨張の原因と考えられているインフレーションと呼ばれるダークエネルギーのような定数に代わる可能性もある。

宇宙の年齢は宇宙の歴史的膨張率から決定され、膨張に使用されるモデルによって変わる可能性がある。超新星タイプ1aと呼ばれる爆発する恒星の赤方偏移と観測された明るさを測定することで、膨張率を決定できる。

赤方偏移は、発光体の後退速度に応じてスペクトル線の周波数が低下することで、遠ざかる救急車のサイレンの周波数と同様である。疲労光効果による赤方偏移を膨張による赤方偏移と共存させることで、宇宙の膨張率は減少し、宇宙の年齢は増加する。

この新しいモデルは、宇宙が我々が考えているよりも古いことを予測している – 標準宇宙論の138億年に対し、CCC宇宙論では267億年 – そしてダークマターなしで銀河とその集団の形成を可能にする。構造が形成され始めた初期の時代における宇宙の年齢の増加は、新しいモデルでは最大100倍大きかった。

重力力を減少させ、構造を形成するための物質の崩壊時間を増加させるダークマターの不在は、CCCモデルにおける年齢の増加によって大きく補償されている。

時間の減速

宇宙の膨張により、遠方の銀河を観測する際に時間が減速しているように見える。CCC+TLモデルは、遠方の物体の時計を減速させるように見える時間膨張効果を示す観測に適合している。

CCC+TLモデルに対する新たな批判は、疲労光概念によって提示される欠陥や、宇宙マイクロ波背景温度の赤方偏移分析など、誤った仮説や不正確な分析に依存している。CCC宇宙論における単一の自由パラメータが、それぞれの定数値に漸近的に近づくすべての定数の変動を決定する。標準宇宙論と同様に、CCC宇宙論には2つの自由パラメータしかない。CCCに疲労光を追加しても、追加の自由パラメータは必要ない。

標準宇宙論モデルは、超新星の明るさを測定する際の赤方偏移の説明など、観測に適合させるためにダークマターを必要とする。ダークマターは、銀河の回転曲線、銀河団、または重力レンズ効果などの物理プロセスを説明するためにも使用される。CCC+TL宇宙論を使用することは、これまでダークマターに起因していた天体物理学的観測を説明するための代替的な物理プロセスを真剣に考慮する必要があることを意味する。

本記事は、Rajendra Gupta氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「We need to consider alternatives to dark matter that better explain cosmological observations」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。