「暗黒エネルギーは存在しない」ことを示す新説が登場

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  • 宇宙は加速膨張しており、その原因は検出できない暗黒エネルギーと言われている
  • これは宇宙のどの位置でも光度が一定になるという天体Ⅰa型超新星の観測から明らかとなった
  • 今回の研究はⅠa型超新星が常に一定という理論を否定しており、そのため暗黒エネルギーも否定されるという

暗黒エネルギーとは、宇宙の加速膨張の原因なっていると考えられている未知のエネルギーのことです。

宇宙の加速膨張を提唱した研究者たちは、ノーベル物理学賞を受賞。今では多くの天文学者たちが、まったく検出できない謎の暗黒エネルギーを特定しようと研究を行っています。

しかし、暗黒エネルギーはあまりに謎が多いので、それを探すより否定する材料を探している科学者も多く存在します。

今回発表された研究では、宇宙の加速膨張を支持する観測自体に問題があると指摘しています。

暗黒エネルギーに関する議論を行う以前に、そもそも宇宙が加速膨張しているという問題を再検討する必要があるというのです。

果たして暗黒エネルギーは本当に存在するのでしょうか?

この研究は、韓国延世(ヨンセ)大学校とフランスのリヨン大学及び、韓国天文研究院(KASI)の研究者による共同研究として発表され、天文学の論文誌『Astrophysical Journal』の2020年1月号にも掲載が決まっています。現在はプレプリントサーバー『arXiv』で論文を読めます。

Early-type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology
https://arxiv.org/abs/1912.04903

そもそも「暗黒エネルギー」とは何なのか?

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フォースの暗黒面のような印象を受けてしまう「暗黒エネルギー(ダークエネルギー)」ですが、ここで使う暗黒という言葉は、「まったく未知の検出できないもの」という意味で使われているものです。

黒いわけでも邪悪なわけでもありません。また、暗黒物質と呼び方が似ているためよく混同されますが、暗黒物質とも関係はありません

暗黒エネルギーとは、重力に逆らって宇宙空間を膨張させていく未知のエネルギーのことを指しています。

宇宙は万有引力の影響で、基本的には収縮する力が働いています。一般相対性理論を発表したとき、アインシュタインも自身の重力場方程式の中にそうした作用があることに気づきました。

しかし、アインシュタインは宇宙が縮むとは想像できなかったため、何らかの作用によって宇宙は不変の状態に保たれているはずだと考えました。

そこで、重力場方程式の中に、宇宙の収縮を押し止める斥力として宇宙項を導入したのです。

この宇宙項がいわゆる暗黒エネルギーを表すものでした。しかしその後、1929年に天文学者のエドウィン・ハッブルが宇宙が膨張していることを観測により発見します。

縮むはずの宇宙が膨張している原因は、その後ビッグバンという現象により説明されることになります。ビッグバンの巨大な爆発力が今も続いていて、宇宙は重力に逆らって膨張を続けているわけです。

宇宙膨張のモデル。/Credit:Coldcreation,Wikipedia commons

こうなると、不変の宇宙を維持するための宇宙項は不要の存在です。このためアインシュタインも間違いを認めて、式から宇宙項を撤回したのでした。

Ia型超新星の観測

宇宙の膨張はビックバンの爆発が元になっているため、次第に減速していくと考えられていました。

しかし1998年に、アメリカの2つの観測グループが相次いで「宇宙の膨張速度は加速している」と報告したのです。

これはIa型(いちえいがた)超新星の観測から明らかにされました。

Ia型超新星とは、白色矮星が起こす特殊な超新星爆発のことを指します。

白色矮星は、核融合の燃料を使い果たして死んだ星です。しかし、これが近接した連星を持つ場合、その星の物質を奪い取って再び活性化することがあるのです。

Credit:ESA/ATG medialab/C. Carreau

白色矮星は、星として維持できる質量の限界が決まっています。これをチャンドラセカール限界といい太陽の1.4倍以上の質量になることはありません。そのため伴星から物質を奪い限界質量に達した白色矮星は、超新星爆発を起こすのです。

この超新星爆発がIa型超新星と呼ばれます。この超新星の重要なところは、全てがほぼ同じ質量で発生するため、ピーク時の光度がどの天体でもほぼ一致しているということです。

明るさがみんな一緒ということは、地球から見て明るさが異なるとき、それは純粋に距離の影響と考えられます。

以上が、Ia型超新星が宇宙で正確に距離が測定できる天体だといわれる理由です。

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このIa型超新星は、90億光年という遠方からでも確認でき、遠い宇宙の様子を探るためにも利用できます。遠い宇宙の天体はハッブルが発見した通り、赤方偏移という光のドップラー効果を起こしながら離れていきます。

複数のIa型超新星は正確に距離の違いが測れるので、その赤方偏移の状態を比べることで、宇宙の大きさと時間変化を調べることができます。

こうした観測方法の結果、宇宙は減速しながら膨張しているのではなく、加速して膨張していることがわかったのです。

蘇る宇宙項

この発見により再評価されたのが、アインシュタインの宇宙項です。

宇宙が加速膨張しているという状態は、宇宙項を含めたアインシュタインの重力場方程式で表すことができます。

そして宇宙項を含めたアインシュタイン方程式を改めて計算すると、それは不思議なほど観測事実と一致したのです。

この結果、宇宙には通常の物質と、足りない重力を補う未知の暗黒物質(おそらく未検出の素粒子)以外に、約7割の暗黒エネルギーが含まれているはずだとわかりました。

Credit:国立大学附置研究所

そのため、暗黒エネルギーは一般的に知られているエネルギーとは意味が異なり「負の圧力」を表しています。宇宙に不足している重力を補うために仮説されている、暗黒物質とは異なるものです。

暗黒エネルギーは観測間違いなのか?

今回の研究は新規の研究ではなく、同じ研究者が2016年に発表した論文の修正版となる研究です。Ia型超新星がどの時間を観測しても、常に光度が一定であるという考え方に疑問を投げかけています。

研究グループは超新星を含めるホスト銀河の年代などを観測することで、Ia型超新星の光度進化が銀河の年代や人口(星の数)によって異なることを発見しました。

この結果、Ia型超新星をすべて一定と仮定する観測には問題があるとし、加速膨張という宇宙モデルには再検討が必要だと主張しているのです。

しかし、この研究の主張については疑問の声もあがっています。

暗黒エネルギーや宇宙の加速膨張は、Ia型超新星の観測だけから主張されているものではなく、宇宙背景放射やバリオン音響振動など複数の観測からも支持されているものです。

また、今回の研究はサンプル数が少なく、現行で支持されている宇宙論を覆すには不十分な内容だと指摘する声もあります。

なんにせよ暗黒エネルギーは、「21世紀のエーテル」に例えられるくらい未知の存在です。これを単なる真空エネルギーと考える研究もあれば、高次元から漏れてくるエネルギーと捉える研究も存在しています。

もちろん今回のように、その存在を否定する研究も数々存在しています。エーテル理論も結局否定されたように、暗黒エネルギーはもしかしたら将来否定されることになるのかもしれません。

真相は今も、藪ならぬ闇の中です。

宇宙最初の巨大天体は暗黒物質で輝く「ダークスター」だった

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