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宇宙の年齢が若くなる? 膨張速度、理論より8%速く 

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ナショナルジオグラフィック日本版

観測から得られた複数のデータに基づくと、宇宙は、宇宙論に基づく最も優れた推定よりも速く膨張しているという。なぜそのようなズレが生じたかは定かでないが、その証拠は何年も前から積み上がっており、現代天文学最大の謎の一つとされている。これを「宇宙論の危機」と呼ぶ研究者もいるほどだ。

そしてこのほど、ハッブル宇宙望遠鏡を使って膨大なデータを収集した研究者グループが新たな膨張速度を発表、このズレが統計的な偶然である可能性は100万分の1であると報告した。つまり、まだ明らかになっていない宇宙の基本成分が存在しているか、あるいは既に知られている成分が何か未知の影響を与えている可能性がある。

この結果は、2021年12月に学術誌「The Astrophysical Journal」に提出された複数の論文で明らかにされた。

宇宙の膨張速度を推定する方法は大きく2つある。一つは宇宙が生まれたばかりの頃に生まれたかすかな光から、宇宙論に基づいて推定する方法。もう一つは、近くの宇宙にある星までの距離から推定する方法だ。

ところが、この2つの推定値には約8%の開きがある。それほど大した差には思えないかもしれないが、もしこれらの結果が正しければ、宇宙はダークマターを加えても説明がつかないほど速く膨張しているということになり、従来の宇宙論にほころびが生じる恐れがある。

この違いは、天文学者のエドウィン・ハッブルの名にちなんで「ハッブル対立(The Hubble tension)」と呼ばれている。ハッブルは1929年に、地球から遠い銀河系ほど速い速度で遠ざかっているという観測結果を発表した。これによって、宇宙はビッグバンによって始まり、それ以来膨張を続けているという現在の考え方が生まれた。

マイクロ波とはしご

現在の宇宙の膨張速度は、天文学者のエドウィン・ハッブルの名にちなんだ「ハッブル定数」によって示される。これを使うと、ビッグバンで始まった宇宙の年齢を推測することができる。

ハッブル定数を求める一つの方法は、欧州宇宙機関のプランク宇宙望遠鏡が観測する宇宙マイクロ波背景放射(CMB)を利用することだ。宇宙マイクロ波背景放射とは、宇宙が誕生してから38万年後に生まれたごく弱い光のことで、これによって、初期宇宙における物質とエネルギーの分布や、それらを支配していた物理学についての情報が得られる。

次に、様々な宇宙の特性を驚異的な正確さで予測する宇宙論の標準モデル「ラムダCDMモデル(宇宙項のある冷たいダークマターモデル)」を使って、この初期宇宙の地図を数学的に早送りすると、現在のハッブル定数がどうなっているはずかを予測することができる。こうして、宇宙の膨張速度は67.36km/s/Mpc(キロメートル/秒/メガパーセク=天体の距離が1メガパーセク(約326万光年)離れるごとに、遠ざかる速度が秒速67.36キロメートル速まる、ということ)という結果が出た。

これに対して今回の論文の著者である、米ジョンズ・ホプキンス大学の天文学者アダム・リース氏が率いる研究グループSHoESは、比較的地球に近い現代の変光星と銀河を使ってハッブル定数を算出した。

 この計算に必要なのは、銀河がどれくらいの速度で地球から遠ざかっているか、またその銀河までの距離はどれくらいかという2つのデータだ。そして、そのためには「宇宙の距離はしご」を構築する必要がある。

宇宙の距離はしごとは、地球からある天体までの距離を一つの手法で測定し、その結果を基にその先の別の天体を別の手法で測定する、というのを繰り返し、はしごを伸ばして遠くまで到達するように、遠くの天体までの距離を測ることからそう呼ばれている。

SHoESは、まずセファイド変光星と呼ばれる星までの距離を測定した。このタイプの星は、真の明るさが知られ、一定の周期でみかけの明るさが変化するという性質上、距離を測定しやすい。

次に、研究者たちはIa型超新星と呼ばれる超新星爆発をこのはしごに加えた。セファイド変光星とIa型超新星の両方が存在する銀河を観測することで、超新星の明るさとその距離との関係を計算することができる。Ia型超新星は、セファイド変光星よりもはるかに明るく、より遠方にあっても観測可能なため、宇宙のはるかかなたにある銀河まで計測のはしごを伸ばすことができる。

新たな分析結果

しかし、これらの星や超新星爆発をすべて正確に計測することは恐ろしく難しい。厳密にいえば、すべてのセファイド変光星やIa型超新星が、全く同じ組成や色をしているわけではないし、それが存在する銀河の種類も異なる。これらの違いを埋め合わせるために、天文学者たちは何年も研究を重ねてきたが、まだわかっていない何らかの要素がエラーを引き起こしている可能性は否めない。

そこで、デューク大学の天文学者ダン・スコルニック氏とハーバード・スミソニアン・センターの宇宙物理学者ディロン・ブロウト氏が共同で率いる研究チーム「Pantheon+」は、1981年から収集されてきたIa型超新星に関する1701の観測データを徹底的に分析した。また、既知の不確定要素やバイアスの元となるものもすべて数値化して含めた。

その結果をリース氏とSHoESによる最新の分析と組み合わせ、セファイド変光星の観測に影響を与えそうな要因の徹底的な照合を行った結果、ハッブル定数は73.04(±1.04)km/s/Mpcであると結論付けた。この数値は、宇宙マイクロ波背景放射から導いた値よりも約8%高い。

なぜこのような違いが生まれたのかを突き止めるため、チームはさらに外部の科学者によるアイデアを取り入れて、全体で67通りの分析を検証してみたが、そのほとんどで、ハッブル対立は悪くなるばかりだった。

未知の宇宙

一方、シカゴ大学のウェンディ・フリードマン氏は、変光星ではなく赤色巨星を使って独自のはしごを構築した結果、前出の2つの測定値の中間である69.8 km/s/Mpcという数値をはじき出している。

計算は慎重に行ったが、それでも未知のエラーが分析に影響を与えている可能性はあると断っている。また、ある程度の不確定要素は避けることができない。たとえば、天の川銀河の近くにあって直接測定可能な銀河は3つしかなく、フリードマン氏のはしごはこの3つのみをベースにして構築されている。

「3つとは少ない数ですが、自然が私たちに与えてくれたものです」と、フリードマン氏は言う。

Pantheon+ と SHoES による67の分析には、セファイド変光星とIa型超新星にフリードマン氏の赤色巨星を加えたシナリオも含まれている。そのケースではハッブル定数の推定値はわずかに下がったが、対立が完全に解消されることはなかった。

もしハッブル対立が、物理的現実を反映しているのだとすれば、それを説明するには宇宙の基本的な成分にもう一つ何かを加える必要が出てくる。

その有力候補の一つに、「初期ダークエネルギー」と呼ばれる理論がある。これは、ビッグバンから5万年後に、ダークエネルギーが急増した時期が一時的にあったと提唱している。原理上は、それで宇宙論の標準モデルにあまり手を加えることなく初期宇宙の膨張速度を変化させることができ、ハッブル対立も解消されるという。

だが、そうなると宇宙の推定年齢を現在の138億年から約130億年に短縮しなければならなくなる。

今のところ、初期ダークエネルギーを証明する決定的な証拠はないが、それを示唆する分析はいくつか出てきている。2021年9月に、宇宙マイクロ波背景放射を測定するチリのアタカマ宇宙論望遠鏡が、初期ダークエネルギーを含めたモデルの方が、標準的な宇宙論モデルよりもそのデータによく適合すると発表した。しかし、プランク望遠鏡のデータはまた別の結果を出しているため、今後さらなる観測が必要とされる。

(文 MICHAEL GRESHKO、訳 ルーバー荒井ハンナ、日経ナショナル ジオグラフィック社)

[ナショナル ジオグラフィック ニュース 2021年12月22日付]

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