「初期の」暗黒エネルギーは宇宙膨張の謎を説明できるのか?

1世紀以上にわたり、科学者たちはビッグバンがすべての始まりとなった原始的な出来事であることを知っていました。

しかし今のところ、彼らは難しい問題を解決できていない。どれくらいの速さで拡大しているのでしょうか？それは、科学用語で宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) として知られるビッグバンからの残留放射線に基づく推定速度と、超新星観測に大きく基づいた推定速度との間に差異があるためです。宇宙の膨張率はハッブル定数として知られているため、その差は「ハッブル張力」と呼ばれます。

科学者たちは、宇宙の継続的な膨張は暗黒エネルギーと呼ばれる力によって引き起こされていると考えており、ビッグバンから 70 億年か 80 億年後に宇宙の減速が逆転し始めたようです。

ダークエネルギーとは何ですか?

「ダークエネルギーは、今日の宇宙の仮説上のエネルギー源であり、宇宙についての私たちの最もよく理解されている情報によると、宇宙の総エネルギーの約70パーセントを占めています」と、著名な大学教授で物理学科の共同教授である 氏は説明する。ケースウェスタンリザーブ大学にて。

「その存在の主な証拠は、過去数十億年間続いていると思われる宇宙の加速膨張です」とスタークマン氏は言う。 「このような膨張を推進するには、宇宙が膨張するにつれて希薄化しない（またはほとんど希薄化しない）エネルギー源が必要です。これにより、ほとんどのエネルギー源が失格になります。たとえば、通常の物質や暗黒物質など、どちらも希薄化します。」暗黒エネルギーの最も単純なモデルは、宇宙が膨張しても、暗黒エネルギーの密度は一定に保たれるというものです。」

しかし、なぜダークエネルギーが最初から存在しなかったのかなど、ダークエネルギーに関することはたくさんあります。そして、標準モデルに暗黒エネルギーを含めても、宇宙膨張の 2 つの測定値間の差異は解決されません。

そして初期のダークエネルギーは？

しかし、2013年から2016年の間に が収集したデータに基づいた2つの新しい未発表の研究は、問題の解決策の可能性を示すのに役立つかもしれない。研究者らは、ビッグバン後の最初の30万年間に存在した一種の「初期」暗黒エネルギーの痕跡を発見したと信じている。この最近の Nature 誌は、ACT チームと、フランスのモンペリエ大学の天体物理学者、同僚のスワースモア大学の Tristian L. Smith 氏と Alexa Bartlett 氏を含む独立グループによる 2 つの論文を初めて公表しました。

当初このアイデアは、当時ジョンズ・ホプキンス大学の博士研究員だったプーリンとスミスらによって、この問題を解決する方法として考案されたものでした。

「初期のダークエネルギーは、別​​の形態のダークエネルギーの提案です。つまり、今日の加速膨張を引き起こしているダークエネルギーとは明らかに関連していません」とスタークマン氏は説明する。 EDEは「はるか昔、宇宙が現在の約1万倍小さくて熱かった頃、宇宙で重要な役割を果たしていただろう。」これは「宇宙の膨張率の歴史に関するある不可解な不一致を解決するために考案された」概念だという。

Natureの記事が説明しているように、初期のダークエネルギーは数十億年後に宇宙の加速膨張を引き起こすほど強力ではなかったでしょう。その代わりに、ビッグバンの直後に形成された素粒子の混合物、つまり をより早く冷却させることで、間接的に影響を及ぼしたであろう。そのことは、宇宙マイクロ波背景放射の測定方法、特にプラズマが冷えてガスになる前に音波がプラズマ中をどれだけ遠くまで伝わるかに基づいた宇宙の年齢と膨張速度の測定方法に影響を及ぼし、結果として、より高速な測定が可能になるだろう。天文学者が天体に基づいて計算した膨張率に近いものです。

初期ダークエネルギーは理論的解決が難しいが、2018年の初期ダークエネルギー論文の著者の一人であるジョンズ・ホプキンス大学の理論物理学者はネイチャーにこう説明した。

結論は明らかではない

この2つの研究は初期のダークエネルギーの根拠を裏付けるのに役立つかもしれないが、関与した研究者の1人はまだ完全には確信していないと述べ、明確な結論に達するにはさらなる研究が必要であると警告している。

「私は初期のダークエネルギーモデルについては懐疑的でした。その理由は、宇宙内の銀河や物質の大規模分布（『大規模構造』、LSS）の高精度測定を照合する際に直面する問題があるためです」とコロンビア大学ACTチームの研究の共著者である物理学の助教授は電子メールでこう述べている。 (この概念に対するヒル氏の疑問は、2020年に彼が共著したこの論文とその後の論文にも反映されており、同様の複雑さを引き起こす他の研究者による別の論文にも言及しています。)

「上にリンクされた 3 つの論文から得られることは、CMB データと Riess らの H0 データに適合する初期のダーク エネルギー モデルは、これらの調査からのデータと一致しない LSS の予測を生成しているということです」と Hill 氏は書いています。メール。 「したがって、おそらく別の理論モデルが必要であるか、少なくとも初期のダークエネルギーシナリオの何らかの修正が必要であると我々は結論づけました。」

Hill 氏と ACT の同僚が投稿したばかりの新しい研究では、分析において LSS データは考慮されておらず、代わりにほぼ CMB データのみに焦点を当てています。 「本当の目的は、プランクとACT CMBデータが初期のダークエネルギーの文脈で一貫した結果をもたらすかどうかを確認することでした。私たちは、それらが多少異なる結果をもたらすことがわかりました。これは、私たちが現在理解しようと懸命に取り組んでいる大きな謎です。観点から見ると、初期のダークエネルギーシナリオの LSS 問題は未解決のままです。」

「さらに、プランクのデータ自体（宇宙論において最も正確なデータセットであり続ける）は、初期のダークエネルギーを好むことを示していません」とヒルは説明する。 「したがって、初期のダークエネルギーに関するACTデータで我々が見てきたヒントにもかかわらず、このモデルが本当に最終的なストーリーになり得るかどうかについては、私は依然として慎重です。それを解明するには、さらに多くのデータが必要です。」

もしそれが存在していたとしたら、初期の暗黒エネルギーは現在の宇宙の膨張速度を引き起こしていると考えられている力と同様のものだっただろう。しかし、それでも理論モデルを大幅に再考する必要があります。

「主な違いは、この初期の暗黒エネルギーが宇宙の歴史の中で短期間だけ役割を果たし、その後は『消滅』しなければならないということです」とヒル氏は言う。 「これを達成するために、私たちは再結合の前に宇宙の膨張を一時的に加速するように作用する新しい場（技術的にはアクシオンのような場）の素粒子物理学モデルを構築しますが、その後急速に消えて無関係になります。」

「対照的に、標準的なダークエネルギーについての現在の主要なイメージは、それが単なる宇宙定数であり、真空エネルギーによって供給される可能性が高いということです」とヒルは続けます。 「このエネルギーの形態は時間とともに変化しません。しかし、標準的なダークエネルギーは、私たちがまだ理解していない何らかの新しい基礎的な分野によるものである可能性があります。この場合、それは時間とともに進化している可能性があり、それはしたがって、上で議論した初期のダークエネルギーモデルとある程度の類似点がある可能性があります。」

「繰り返しになりますが、これらの疑問をより正確に調査するには、より多くのデータが必要であり、今後10年以内に答えが見つかることを期待しています」とヒル氏は言います。 「幸いなことに、多くの強力な実験が間もなくオンラインに公開されます。」彼は、CMB を研究する 、LSS に関する新しい情報を収集する宇宙望遠鏡などの施設について言及しています。 「私たちが何を発見するかを見るのは非常にエキサイティングなはずです」と彼は言います。

こちらは、ヒルが初期のダーク エネルギーについて説明している YouTube ビデオです。

スタークマン氏は、証拠が明確で説得力のあるものでない限り、そのような「異常な」主張には注意することが重要だと述べている。彼が指摘しているように、EDE に対する証拠も存在します。 「現在の結果は、過去10年間の初めに飛行した欧州宇宙機関のものと、現在のアタカマ宇宙望遠鏡による、宇宙マイクロ波背景放射の観測に関する2つの実験データセットの間の緊張が高まっていることを示している。前者はそうではないようだ」初期のダークエネルギーの考えは支持されていますが、現在では後者が支持しています。このような実験間の緊張はよくあることであり、ACT からのデータを増やすことで問題が解決すると言いたくなりますが、完成したプランク データをより多くの ACT データで圧倒するだけでは解決できません。ないプランクのデータが EDE に有利ではない理由を説明してください。何らかの形で明確なケースを提供するには、これらの実験の 1 つを再理解する必要があると思われます。」

シカゴ大学の天文学と天体物理学の教授で、宇宙膨張の測定に取り組んでいる同氏は、さまざまな代替モデルを追求することが重要だと考えている。

ラムダ冷暗黒物質 (LCDM) モデル

「私たちは現在、宇宙論の標準モデル、いわゆるラムダ冷暗黒物質（LCDM）モデルを持っています」と、2021年9月17日に『The Astrophysical Journal』誌のハッブル定数に関するこの本の著者であるフリードマン氏は次のように説明しています。メール。 「そのモデルでは、物質全体とエネルギー密度の約 1/3 は物質 (そのほとんどは暗黒物質) によるもので、2/3 は暗黒エネルギーの成分によるものです。」

「しかし、現時点では、我々は暗黒物質も暗黒エネルギーもその性質を知りません」とフリードマン氏は続ける。 「それでも、LCDM は、非常に広範囲のさまざまな実験や観察に非常によく適合します。私たちの知識の現状を考えると、標準モデルをさらにテストすることが明らかに重要です。CMB から推測されるハッブル定数の値間の現在の明らかな矛盾は、測定値や一部の局所測定値は新しい物理学を示唆している可能性があるため、ラムダ CDM を超えた他のモデルを調査することが重要であると私は言います。」

しかし、フリードマン氏は重要な警告を付け加えています。「あるいは、見かけ上の不一致の原因となる、まだ知られていない系統誤差が存在する可能性があります。したがって、現在のハッブル定数測定における不確実性を減らすことも重要です。」