第8章: 宇宙学的な含意

前の章で、アインシュタインの一般相対性理論が、空間、時間、重力の概念を根本的に変えたことを見てきました。この理論では、重力を力ではなく、質量とエネルギーの存在によって生じる時空の曲率の現れとして解釈しています。アインシュタインの場の方程式は、時空の幾何学が物質とエネルギーの分布によって決定される仕組みを数学的に説明しています。

一般相対性理論の含意は、太陽系のスケールで驚くほど確認されてきましたが、その最も深い結果のいくつかは、宇宙全体を考えるときに現れます。この章では、宇宙論に適用された一般相対性理論が、活発で進化する宇宙の新たな像をもたらすかを探求します。20世紀初頭のエドウィン・ハッブルの観測が、宇宙が膨張しているという最初の証拠を提供し、さらにこれが一般相対性理論と結びついて「ビッグバン」宇宙論の基礎となっていることを見ていきます。また、現代物理学の最も大きな謎の一つである「暗黒エネルギー」の性質に出会うでしょう。暗黒エネルギーは、宇宙の膨張を加速させていると考えられる、神秘的な形態のエネルギーです。

膨張する宇宙とハッブルの法則

現代宇宙論の物語は、20世紀初頭のアメリカの天文学者エドウィン・ハッブルの業績から始まります。カリフォルニア州のマウントウィルソン天文台の100インチフッカー望遠鏡を使用して、ハッブルは私たちの宇宙の理解を変えるような画期的な観測を行いました。

ハッブルの重要な観測の一つは、夜空の「星雲」として知られる一部のぼんやりとした光の性質に関するものでした。多くの天文学者は、これらの星雲がわれわれの天の川銀河内の比較的小さなガス状の構造であると考えていました。しかし、ハッブルは、これらの星雲の中の個々の星を解消することができ、これらの星の明るさを天の川銀河内の類似の星の明るさと比較することで、その距離を推定することができました。驚いたことに、これらの星雲は実際には非常に遠く、天の川銀河の範囲をはるかに超えていることがわかりました。ハッブルは、宇宙がこれまで考えられていたよりもはるかに大きく、無数の「島宇宙」、いま我々が銀河と呼んでいるもので満たされていることを発見しました。

しかし、ハッブルの最も重要な発見は、これら遠くの銀河からの光のスペクトルを調べたときに行われました。彼は、既知の元素のスペクトル線がスペクトルの赤い端に向かって系統的にシフトしていること、これを赤方偏移と呼ぶ現象を発見しました。このシフトの程度は、銀河までの距離とともに増加しました。この赤方偏移はドップラーシフトと解釈され、銀河が私たちから遠ざかっていることに起因しています。赤方偏移が大きいほど、銀河は遠ざかっている速度が速いのです。

ハッブルの観測結果から彼は驚くべき結論を導きました：宇宙は膨張しているのです。銀河は静止しておらず、パンの中でレーズンのようにお互いから遠ざかっているのです。さらに、銀河の遠ざかりの速さは、私たちからの距離に比例しています。この関係はハッブルの法則として知られています。

$$v = H_0 d$$

ここで、$v$は銀河の遠ざかり速度、$d$は私たちからの距離、$H_0$は比例定数であるハッブル定数です。ハッブル定数の値は、宇宙の現在の膨張率の尺度です。

ハッブルの膨張する宇宙の発見は、静的で不変の宇宙への長い間の信念を覆し、宇宙には歴史があり、時間の経過とともに進化してきたという考えを導入しました。これは現代宇宙論の誕生を示すものでした。

ビッグバンモデル

膨張する宇宙の発見は、即座に一つの重要な問いを提起します：もし銀河が今離れているなら、過去にはより近くにあったのでしょうか？時間を逆算すると、遠い過去のある時点で、宇宙の全ての物質が無限に密集した点、特異点に集中していたと思われます。この考えがビッグバン宇宙論の基礎となっています。

ビッグバンモデルによれば、宇宙は約138億年前に非常に熱くて密度の高い状態で始まりました。この初期瞬間において、宇宙は無限に密集し、無限に熱かったのです。それから急速に膨張し、冷却されました。その過程で、水が熱せられると蒸気に変わるように、また冷却されると氷に変わるように、一連の相転移が起こりました。これらの転移により、私たちが知っている基本粒子や力の形成が行われたのです。

ビッグバン初期の時期には、宇宙はエネルギーの沸騰する鍋のような状態でした。膨張し冷却するにつれ、このエネルギーは物質に凝縮し始めました。最初はクォークや電子、その後はさらに冷却されるとこれらのクォークがプロトンや中性子を形成するために結合しました。ビッグバン後のおよそ38万年後、宇宙は十分に冷えて、これらのプロトンや電子が結合して主に水素とヘリウムの原子を形成しました。この時期、再結合と呼ばれるものが起こり、物質と放射線の非結合が起きました。この時点までは、光子は常に帯電粒子と相互作用していたため、宇宙は不透明でした。再結合後は、光子は自由に移動できるようになり、宇宙は透明になったのです。これらの原始光子の残光は、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）として今日でも観測されています。1965年にアルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンによって初めて検出されたCMBは、空を満たすほとんど均一なマイクロ波放射の背景です。それは約2.7ケルビンの温度に対応する熱的なブラックボディースペクトルを持ち、ビッグバンモデルの驚くべき確証です。1990年代にCOBE衛星によって初めて詳細にマッピングされたCMBのわずかな不規則性は、再結合の時代の宇宙のスナップショットであり、重力の作用によって将来の宇宙構造（銀河、恒星、惑星）が成長する種子です。

観測されることにより、宇宙の歴史について非常に成功した記述を提供する、膨張する宇宙とCMBの存在に基づいたビッグバンモデルは、その問題を持たないわけではありません。標準的なビッグバンモデルは、いくつかの高度に特定化された初期条件に依存しています。すなわち、初期宇宙は非常に均一でなければならず、精度の高い程度で物質が均等に分布していなければならず、非常に特定の膨張速度を持っていなければなりません。これらの条件からの逸脱は、我々が観測する宇宙とは全く異なる宇宙につながるでしょう。これらの初期条件の問題は、フラットネス問題とホライズン問題として知られています。

さらに、標準的なビッグバンモデルでは、観測されたことがない磁気単極子などの特定の異常な粒子の存在を予測しています。これはモノポール問題として知られています。

これらの問題は、1980年代に宇宙のインフレーション理論によって取り組まれました。インフレーション理論によれば、非常に初期の宇宙では、仮想的な場としてのインフラトンと呼ばれる場の推進による、非常に急速な指数関数的膨張期間がありました。この急速な膨張は、初期の不規則性を平滑化し、宇宙をフラットで均一な状態に導きました。また、異常な粒子を観測できないレベルに希釈しました。インフレーションは、標準的なビッグバンモデルの問題に対する優れた解決策を提供し、現代の宇宙論の重要な要素となっていますが、インフラトン場の物理的性質は依然として謎です。

ダークエネルギーと加速する宇宙

1990年代後半、遠くの超新星の研究は、再び宇宙の理解を革新する驚くべき発見につながりました。超新星は、巨大な星の爆発的な死を指し、非常に明るく、広大な宇宙の距離から見ることができます。特にタイプIaとして知られる特定の超新星は、宇宙論にとって特に有用です。これらの超新星は、2つの星系のうちの1つにあるホワイトドワーフ星がその伴星から物質を受け取り、最終的に熱核爆発を引き起こすときに発生します。この爆発の条件は常に類似しているため、タイプIa超新星は非常に一貫した固有の輝度を持っています。その固有の輝度と見かけの輝度を比較することで、天文学者はその距離を測定することができます。彼らは宇宙のスケールを測定するための「標準キャンドル」として機能します。

1998年、独立した2つの天文学チーム、スーパーノヴァ宇宙論プロジェクトとハイ-Zスーパーノヴァ検索チームは、タイプIa超新星を使用して宇宙の膨張の歴史を測定しました。彼らは、物質の重力的な引力によって宇宙の膨張が減速していることを期待していました。しかし、彼らは逆の結果を見つけました：宇宙の膨張は加速しているのです。

この結果は驚くべきもので予想外でした。標準的な宇宙論モデルでは、宇宙は減速しながら永遠に膨張し続けるか、最終的には「ビッグクランチ」として自己収束することが予想されていましたが、加速膨張は考慮されていませんでした。一般相対性理論の枠組み内でこの加速を説明する唯一の方法は、宇宙に新しい成分であるダークエネルギーを導入することでした。

ダークエネルギーは、空間全体に存在し、負の圧力を持つ仮想的なエネルギー形態です。一般相対性理論の方程式によれば、物質とエネルギーの圧力は重力効果に寄与します。通常の物質は正の圧力を持ち、それによって重力的にくっつき合います。ダークエネルギーはその逆の効果を持つため、宇宙の膨張を加速させます。

ダークエネルギーの最も単純なモデルは、ギリシャ文字のΛで表される宇宙定数です。宇宙定数は、静的な宇宙を可能にするためにアインシュタインが彼の方程式に修正を加えるために元々導入されました。彼は後に膨張する宇宙の発見によってこれを捨て、それを彼の「最大の過ち」と呼びました。しかし、ダークエネルギーのコンテキストでは、宇宙定数が驚くべき復活を遂げました。それは真空の固有エネルギー密度として解釈することができます。

現在の標準的な宇宙論モデルであるΛCDMモデル（冷たい暗黒物質と宇宙定数を含むモデル）は、ダークエネルギー（Λ）と暗黒物質（重力だけを介して相互作用する目に見えない形態の物質）の両方を含んでおり、観測された宇宙の構造と進化を説明しています。このモデルでは、ダークエネルギーが宇宙の総エネルギー密度の約68%を占めており、暗黒物質が約27%を占めています。我々が見ることができる、すべての通常の物質は、宇宙の5%未満を占めています。 $\Lambda$ CDMモデルは、広範な宇宙観測データを説明するのに非常に成功していますが、暗黒エネルギーの物理的な性質は物理学における最も深い謎の1つです。宇宙定数の観測値は、量子場理論によって予測される値よりも桁違いに小さいため、これは宇宙定数の問題として知られています。ダークエネルギーの代替モデルであるクインテッセンスなどが提案されていますが、これらのモデルを観測的に区別するのは難しいです。

ダークエネルギーの発見は、宇宙の究極の運命に深い影響を与えます。物質が優勢な宇宙では、膨張は最終的に減速し逆転し、ビッグクランチに至ります。しかし、宇宙定数を持つ宇宙では膨張が加速し続け、"ビッグフリーズ"に至ります。このシナリオでは、銀河系は互いから非常に速く遠ざかるため、1つから他の1つへの光はもう届かなくなります。宇宙は冷たく、闇に包まれ、空虚になるでしょう。

結論

一般相対性理論を宇宙論に適用することは、宇宙の理解において大きな変革をもたらしました。ニュートンの静的で永遠な宇宙は、ホットビッグバンから始まり、それ以来膨張し冷却しているダイナミックで進化する宇宙に取って代わられました。膨張する宇宙、宇宙マイクロ波背景放射、そして暗黒エネルギーの発見により、私たちは想像以上に奇妙で素晴らしい宇宙の描写を得ました。

しかし、この描写はまだ完全ではありません。宇宙の95%を占める暗黒物質と暗黒エネルギーの性質はまだ分かっていません。量子効果が重要になる非常に初期の宇宙の物理学はまだよく理解されていません。そして、宇宙の究極の運命、それが永遠に膨張し続けるのか、最終的には自己に崩壊するのか、まだ解明されていない問いです。

これらの問いに答えるには、新しい観測と新しい理論的洞察が必要です。Large Synoptic Survey TelescopeやEuclid衛星などの将来の宇宙論的調査は、前例のない精度で宇宙の構造をマッピングし、一般相対性理論の新しいテストと暗黒エネルギーの性質に対する新たな制約を提供します。LIGOやVirgoなどの重力波観測所は、初期宇宙やブラックホールの物理学に新たな視点を開くでしょう。また、弦理論やループ量子重力などの理論的な発展は、一般相対性理論と量子力学を統一する枠組みを提供するかもしれません。これは量子重力の完全な理論に向けての重要なステップです。

アインシュタインの革命的な理論から1世紀後、宇宙の研究は科学全体でも最も刺激的でダイナミックな分野の1つです。一般相対性理論の宇宙論への応用の意味を探求し続ける中で、今後数年間にわたり、さらなる驚きと発見が期待されます。ビッグバンから遠い未来までの宇宙の物語はまだ書かれ続けています。

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