太古の昔からの宇宙の波の新たな探査 – InfosrkClub

宇宙は 138 億年前に誕生しました。その時に何が起こったのかは、物事がなぜそうなったのかを理解しようとする人にとって大きな関心事です。

「宇宙の初期に何が起こったのかという疑問は、非常に深い問題だと思います」と、数学と科学の最先端分野の研究を支援する非営利団体、シモンズ財団の代表、デイビッド・スパーゲル氏は語る。「そして、私にとって本当に興奮しているのは、このことに関する洞察を提供できる観測ができるという事実です。」

チリ北部の高地砂漠に建設される1億1000万ドルの新しい観測所は、財団の資金9000万ドルで、ほぼ太古の昔から宇宙を旅してきた光の粒子を観察することで、ビッグバン後に何が起こったのかに関する重要な手がかりを明らかにできる可能性がある。

このデータは、宇宙インフレーションと呼ばれる素晴らしい考えを裏付ける証拠を最終的に提供する可能性がある。これは、宇宙が誕生した直後に、時空構造が光速よりもはるかに速い速度で外側に加速したという説である。

あるいは、そのような観測所の測定は、現在の宇宙論の理解の柱となっているこの仮説を覆す可能性がある。

この天文台は、財団とその創設者、すなわち5月10日に亡くなったヘッジファンドの億万長者で慈善家のジム・シモンズ氏と、経済学者だった妻のマリリン氏にちなんで名付けられた。4台の望遠鏡のうち2台は4月に測定を開始し、ちょうどシモンズ博士が亡くなった4月25日に間に合った。

「それは、ジムが何年も前にプロジェクト完了のために設定した目標でした」とスパーゲル博士は語った。「そして私たちはそれを達成しました。」

標高 17,000 フィートの雄大な乾燥した風景の中に建つこの展望台には、アイスクリームコーンに似た 3 つの小型望遠鏡と、「スターウォーズ」のドロイドのいとこのように見える、指で操作できる箱でできた 1 つの大型望遠鏡があります。

この望遠鏡はマイクロ波を収集する。マイクロ波は可視光線よりは長いが電波よりは短い波長である。2 台の小型望遠鏡がデータ収集を開始した。3 台目は数か月以内に加わり、さらに大型の 4 台目は来年運用を開始する予定である。

4 台の望遠鏡に搭載された約 6 万個の検出器が、宇宙を満たすマイクロ波からの宇宙光を研究します。

「これはユニークな装置です」と、プリンストン大学の物理学教授でシモンズ天文台の共同所長でもあるスザンヌ・スタッグス氏は言う。「非常に多くの検出器を備えています。」

宇宙が誕生した最初の 38 万年間は、温度が高すぎて水素原子が形成できず、光子 (光の粒子) は荷電粒子に跳ね返り、絶えず吸収と放出を繰り返していました。しかし、水素が形成されると、光子は妨げられることなく移動できるようになります。光子は絶対零度よりわずか数度高い温度まで冷却され、その波長はスペクトルのマイクロ波領域まで伸びています。

宇宙マイクロ波背景放射は半世紀前に初めて観測され、ニュージャージー州ホルムデルのアンテナが偶然拾った笛の音でした。

1990年代、NASAの衛星である宇宙背景探査機は、宇宙マイクロ波の微小な温度パルスを明らかにした。これは、初期の宇宙がどのようなものであったかを示す指紋である。これらの変動は宇宙の密度の変化を反映しており、その後、密度の高い領域が集まって銀河を形成し、宇宙の蜘蛛の巣のような形になる超銀河団のさらに大きな構造が形成される。

サイモンズ天文台は、宇宙学者がBモードと呼ぶ光の渦巻くパターンなど、マイクロ波のさらなる詳細を調査することを目指しています。

マサチューセッツ工科大学の教授アラン・グースは、宇宙の平坦な均質性を説明するために、45年前に宇宙インフレーションの考えを提唱しました。どの方向を見ても、どれだけ遠くを見ても、宇宙マイクロ波背景にあるものはすべてほぼ同じに見えます。

しかし、観測可能な宇宙は広大すぎるため、光子が移動するには、どこでも温度が均一になるのに十分な時間がありません。しかし、時空の急速な引き伸ばし、つまりインフレーションによって、それは達成できます。ただし、この引き伸ばしは、宇宙の誕生から 1 兆兆兆兆兆兆兆秒未満で終了します。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の物理学教授でプロジェクトリーダーの一人であるブライアン・キーティング氏は、現在の宇宙観測は宇宙インフレーションの図式に合致していると述べた。

しかし、キーティング博士は「今のところ、具体的な証拠はない」と付け加えた。

加速膨張により巨大な重力波が発生し、物質を揺さぶり、原始的なマイクロ波放射の中に B モードが残ることになります。

「宇宙全体に浸透する重力波であるBモードは、銃から出る煙に相当するだろう」とキーティング博士は語った。

B モードについては、科学者は偏光と呼ばれる光の特性を調べます。

光は、互いに直交する角度で振動する電場と磁場で構成されています。通常、これらの場はランダムな方向に向いていますが、光が特定の表面で反射すると、場が一列に並んだり、偏光したりすることがあります。

光の偏光は、特定の方向に偏光した光の部分だけが通過するフィルターを使って研究することができます。(偏光サングラスは、このようにして光を処理します。太陽光が水に反射すると、宇宙の始まりの光が偏光したのと同じように、偏光します。)

観測所の検出器は、基本的に回転する偏光フィルターで構成されています。マイクロ波が偏光されていない場合、マイクロ波の明るさは一定のままです。偏光されている場合、明るさは上下します。フィルターが偏光と平行のときに最も明るくなり、フィルターが偏光と直角のときに最も暗くなります。

空全体でこれらの測定を繰り返すと、偏光パターンが明らかになります。

偏光パターンには 2 種類あります。そのうちの 1 つは、荷電粒子から発せられる電界に似ていることから、電気を表す E モードと呼ばれています。これまでのマイクロ波観測では、宇宙の密度の変化によって生成される原始的なマイクロ波で E モードが検出されています。

その他の偏光パターンには、磁場に見られる特性があります。物理学では磁場を表す記号として文字 B が使用されるため、これは B モードとして知られています。

「渦のように見えます」とスパーゲル博士は言う。

重力波は宇宙マイクロ波に小さな B モードを発生させて電子を振動させます。

「検出はノーベル賞に値する」とニューヨーク大学の物理学教授でシモンズ財団の物理学副所長のグレゴリー・ガバダゼ氏は言う。「ノーベル賞なんて気にしないで。こんなに大きな発見なのに、どんな賞が与えられるかなんて誰が気にするんだ？」

マイクロ波測定により、ニュートリノと呼ばれる幽霊粒子の質量や、宇宙の質量の 85 パーセントを占める謎の粒子である暗黒物質の特定など、他の主要な物理現象も明らかになることがあります。

おそらく、宇宙学者にとって最大の課題は、自らを欺かないようにすることだろう。

10年前、まさにそれが起こった。BICEP2（宇宙銀河系外偏光背景画像）と呼ばれる実験に取り組んでいた科学者たちが、原始重力波と宇宙インフレーションの関与の証拠を発見したと発表したのだ。

しかし、すぐにその主張は崩れ去りました。観測されたマイクロ波はビッグバンやインフレーションから発生したものではなく、私たちの天の川銀河内の塵から発生したものだったのです。

この過ちを繰り返さないために、シモンズ天文台は複数の波長で観測を実施します。(BICEP2 の発見は 1 つの波長だけに依存します。)

サイモンズ天文台の望遠鏡の 1 つは、高温で放射する星間塵の検出に特化されます。その後、信号が差し引かれ、宇宙マイクロ波背景放射のみが残ると予想されます。

「私たちは、以前私たちに損害を与えた大失敗が繰り返されないように戦い続けます」とキーティング博士は語った。「再び同じことが起きれば、誰もこの分野に信頼を寄せなくなると思います。」

BICEP2 論争の後、シモンズ博士は競合する研究グループを説得してシモンズ天文台で共同研究を行なった。「彼はヘッジファンドの世界での経験を生かして、基本的に無理やり参加したんだと冗談を言ったよ」とキーティング博士は語った。

サイモンズ天文台は、まだ探しているものを見つけられないかもしれないし、データが曖昧な場合もある。おそらく、無謀な塵の放出が予想以上に大きな問題となり、原始的な B モードが隠れてしまうかもしれない。

「汚れた窓ガラスを通してニューヨーク市を眺めているようなものです」とキーティング博士は言う。「自然は観測可能な信号を生成するために私たちと契約を結んでいません。」

あるいは、B モードがまったく存在しないのかもしれません。これは、宇宙のインフレーションという考えを好まない、逆張りの宇宙論者を喜ばせるでしょう。インフレーションの避けられない結果の 1 つに、宇宙が無限の代替可能性へと分岐し続ける多元宇宙があります。

「文字通り、物質、空間、時間、エネルギーのあらゆる配置は、多元宇宙と呼ばれる宇宙の風景のどこかに現れます」とキーティング博士は語った。「それを非常に魅力的だと思う人もいれば、不快だと思う人もいます。」

ただし、すべての代替案では B モードがゼロであると推定されます。したがって、検出が成功すると、それらは除外されます。

「それでもインフレを証明することにはなりませんが、犯人を4～5人から1人に絞り込むことができるでしょう」とキーティング博士は言う。

サイモンズ天文台が B モードを検出しなかったとしても、宇宙インフレーションを完全に否定することにはなりません。しかし、検出できないほど小さい B モードを生成するような理論モデルを構築するのはより困難でしょう。

「インフレのパラダイムは大きな問題に直面するだろう」とガバダゼ博士は語った。「大多数はそれを放棄し、インフレに代わる方法を探すことになるだろう。」

実際、キーティング博士は、金融界に転向する前は著名な数学者だったシモンズ博士は、インフレーションが証明されていない科学的仮説のゴミ箱に捨てられることを望んでいる人々の一人だと述べた。

「それは、宇宙の周期的あるいは生涯モデルという彼の概念と合致する」とキーティング博士は語った。しかし、シモンズ博士は、彼の考えが間違っていることを証明できるかどうかを調べるために資金を投入する用意もある。

「彼の本当の愛は科学でした」とキーティング博士は語った。