研究：初期の暗黒エネルギーは宇宙論の2つの最大の謎を解く可能性がある | MITニュース

MITの物理学者による新たな研究では、初期暗黒エネルギーとして知られる謎の力が宇宙論における最大の謎のうち2つを解き明かし、初期宇宙がどのように進化したかに関する私たちの理解における大きなギャップを埋める可能性があると提唱している。

問題となっている謎の一つは「ハッブル・テンション」で、これは宇宙の膨張速度の測定値の不一致を指す。もう一つは、初期の宇宙の人口がはるかに少なかった時期に存在していた多数の初期の明るい銀河の観測に関係している。

現在、MIT チームは、初期宇宙にもう 1 つの一時的な要素、つまり初期暗黒エネルギーがあれば、両方の謎を解くことができることを発見しました。暗黒エネルギーは、物理学者が現在の宇宙の膨張の原動力であると疑っている未知のエネルギーです。初期暗黒エネルギーは、同様の仮説上の現象で、ほんの短い間だけ現れ、宇宙の膨張に影響を与えた後、完全に消滅した可能性があります。

物理学者の中には、初期の暗黒エネルギーがハッブル・テンションを解く鍵になるのではないかと疑っている人もいる。この謎の力は、測定の不一致を解消するほど宇宙の初期の膨張を加速させる可能性があるからだ。

MITの研究者たちは、初期の暗黒エネルギーが、天文学者が初期宇宙で観測した驚くほど多くの明るい銀河を説明できることを発見した。彼らの新しい研究では、 本日報告された 王立天文学会月報、 研究チームは宇宙の最初の数億年における銀河の形成をモデル化した。その最も初期のわずかな期間にのみ暗黒エネルギーの要素を組み込んだところ、原始環境から発生した銀河の数が天文学者の観測と一致するほど急増したことがわかった。

「「これら2つの未解決の難問が迫っています」と、MITカブリ天体物理学・宇宙研究所の博士研究員で、この研究の共著者であるロハン・ナイドゥ氏は言う。「実際、初期の暗黒エネルギーは、宇宙論における最も差し迫った2つの問題に対する非常に簡潔で簡潔な解決策であることが分かりました。」

この研究の共著者には、主著者でカブリのポスドクであるシュエジャン・シェン（ヤコブ）氏、MIT物理学教授のマーク・フォーゲルスバーガー氏、テキサス大学オースティン校のマイケル・ボイラン・コルチン氏、ケンブリッジ大学のサンドロ・タッケラ氏などが含まれている。

大都市の明かり

標準的な宇宙論および銀河形成モデルに基づくと、宇宙は最初の銀河の形成に時間をかけたはずだ。原始ガスが合体して天の川銀河と同じくらい大きく明るい銀河になるには、数十億年かかったはずだ。

しかし2023年、NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が驚くべき観測を行った。これまでのどの観測所よりも遠い過去を観測できるこの望遠鏡は、宇宙が現在の年齢のわずか3パーセントだった最初の5億年の間に、現代の天の川銀河と同じくらいの大きさの明るい銀河を驚くほど多く発見した。

「JWST が観測した明るい銀河は、大都市の周囲に光の集まりが見られるようなものでしたが、理論ではイエローストーン国立公園のような田舎の周囲の光のようなものが予測されています」とシェン氏は言う。「そして、私たちは光の集まりがそれほど早い段階で起こるとは予想していません。」

物理学者にとって、この観察結果は、モデルの根底にある物理学に根本的な問題があるか、科学者が説明していない初期宇宙の要素が欠けていることを意味している。MIT チームは後者の可能性と、欠けている要素が初期の暗黒エネルギーである可能性を調査した。

物理学者たちは、初期ダークエネルギーは、非常に初期の時期にのみ活性化する一種の反重力力であると提唱している。この力は重力の内向きの引力に対抗し、宇宙の初期の膨張を加速させ、測定の不一致を解決するだろう。したがって、初期ダークエネルギーはハッブル・テンションに対する最も可能性の高い解決策であると考えられている。

銀河の骨格

MIT チームは、初期の暗黒エネルギーが、JWST によって検出された予想外の大型で明るい銀河の集団を説明する鍵となるかどうかも調査しました。新しい研究では、物理学者は初期の暗黒エネルギーが、最初の銀河を生み出した宇宙の初期構造にどのような影響を与える可能性があるかを検討しました。彼らは、重力がたまたま強く、物質が蓄積し始める宇宙領域である暗黒物質ハローの形成に焦点を当てました。

「私たちは、暗黒物質ハローが宇宙の目に見えない骨格だと考えています」とシェン氏は説明する。「まず暗黒物質構造が形成され、次にその構造の中に銀河が形成されます。そのため、明るい銀河の数は大きな暗黒物質ハローの数に比例するはずだと予想しています。」

研究チームは、初期銀河形成に関する経験的枠組みを開発した。これは、いくつかの「宇宙論的パラメータ」の尺度を与えられた場合に、初期宇宙で形成されるはずの銀河の数、明るさ、大きさを予測するものである。宇宙論的パラメータとは、宇宙の進化を記述する基本的な要素、つまり数学用語である。

物理学者は、宇宙論の主要なパラメータが少なくとも 6 つあると結論付けました。そのうちの 1 つはハッブル定数です。これは宇宙の膨張率を表す用語です。他のパラメータは、ビッグバン直後の原始スープの密度変動を表し、そこから最終的に暗黒物質ハローが形成されます。

MIT チームは、初期ダーク エネルギーが宇宙の初期膨張率に影響を及ぼし、ハッブル テンションを解消するのであれば、他の宇宙論パラメータのバランスにも影響を及ぼし、初期に出現する明るい銀河の数を増やす可能性があると推論しました。この理論を検証するために、チームは初期ダーク エネルギーのモデル (ハッブル テンションを解消するものと同じもの) を経験的な銀河形成フレームワークに組み込み、最も初期のダーク マター構造がどのように進化し、最初の銀河を生み出すのかを調べました。

「我々が示しているのは、初期宇宙の骨格構造が微妙に変化し、変動の振幅が大きくなり、より標準的なモデルよりも、より初期の宇宙に存在していたより大きなハローやより明るい銀河が出現するということだ」とナイドゥ氏は言う。「つまり、初期宇宙では物質がより豊富で、より密集していたということだ」

「先験的に、JWST の初期の明るい銀河の多さが初期の暗黒エネルギーと何らかの関係があるとは予想していなかったが、EDE が宇宙論パラメータを初期銀河の多さを高める方向に押し進めるという彼らの観察は興味深い」と、この研究には関与していないジョンズ ホプキンス大学の理論物理学教授マーク カミオンコウスキー氏は言う。「初期銀河と EDE のつながりを確立するには、さらに研究が必要だと思うが、結果がどうであれ、これは賢い試みであり、最終的には実りあるものとなることを願っている」

「我々は、宇宙論が直面している2つの大きな問題に対する統一的な解決策として、初期暗黒エネルギーの可能性を実証しました。JWSTの観測結果がさらに強化されれば、これがその存在の証拠となるかもしれません」とフォーゲルスバーガー氏は結論付けています。「将来的には、これを大規模な宇宙論シミュレーションに組み込んで、どのような詳細な予測が得られるかを見ることができます。」

この研究は、NASA と国立科学財団によって部分的に支援されました。