最初の量子ゆらぎが巨大な宇宙の謎を動かし始める

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「はじめに」。

これら 3 つの言葉は、5 世紀以来、かなりの魔法をかけてきました。^番目 聖書学者に「P」として知られるイスラエルの司祭が羊皮紙にインクを入れて、聖書の冒頭の行を書いた西暦世紀。 創世記の書。私たちが現代に伝える創造物語は、今日の宇宙で観察できる事柄と一致しているという点で、同様に詩的です。私たちが知っていると考えていることに基づくと、大まかには次のようになります。

これは単に物理学や人間の経験を超えているため、その始まりを説明する言葉はありません。しかし、現在から逆に推定すると、宇宙は約 138 億年前の熱いビッグバンで形成されたと言えます。宇宙が膨張するにつれて、極初期の宇宙は一連の量子けいれんに見舞われました。宇宙のインフレーションと呼ばれる爆発的な膨張が宇宙を平らに叩きつけたが、その微小な変動は琥珀の中の泡のように閉じ込められた。

これらの量子ゆらぎは痕跡を残しました。宇宙のポケットは他のポケットよりも早く膨張し、高温物質が早期に形成され、過密度と呼ばれる他のポケットよりわずかに密度の高い領域が形成されました。他のポケットはよりゆっくりと拡張し、密度が低くなりました。約 100 秒後、物質はよく知られた形態、つまり、まとめてバリオン物質と呼ばれる水素原子核 (単一陽子) とヘリウム原子核、それに自由電子をとりました。このおなじみの物質には、見慣れない兄貴分であるダークマターが伴いました。

この段階では、宇宙は高密度の放射線に支配され、流体のように振る舞う高温プラズマでした。それは、根底にある暗黒エネルギー、いわゆる空の空間の推進エネルギーによって助けられ、ビッグバンの起源の勢いによって拡大し続けました。ビッグバンが勢いを失うと、さらに 90 億年間膨張速度が低下し、その時点で暗黒エネルギーが引き継ぎ、再び膨張を加速し始めました。

初期宇宙全体に散在する過剰密度は、大部分が暗黒物質と少量のバリオン物質で構成されていました。重力が働き、それぞれの種類の物質をさらに引き寄せ、周囲の放射線がバリオン物質と電子の両方に接着剤のように作用しました。この放射の圧力がさらなる圧縮に抵抗する点まで高まり、重力と放射圧の間の競合によってプラズマ内に音響振動、つまり音波が引き起こされました。

悲しいかな、たとえ周りに耳を傾けられる人がいたとしても、これは聞こえる音波ではありませんでした。それらは光の速度の半分以上の速度で移動し、波長は数百万光年で測定されました。それにもかかわらず、私は今でも、これを宇宙が誕生した時代として考えたいと思っています。 歌う。

プラズマ内で発生する圧力波が放射線が支配する流体を圧縮すると、流体は外側に膨張し、マイナスに帯電した電子が引きずられて、より重いプラスに帯電したバリオンを背後に引きずり込みました。暗黒物質は放射線と相互作用しないため、取り残されました。最終的な結果は、外側に膨張する過密なバリオン物質の球状の波であり、その後にレアファクションと呼ばれるもの、つまり物質密度の低い領域が残されました。

これらの音波の速度は、バリオン物質の密度と放射線の密度とのバランスによって制御されました。宇宙のタイムラインの初期に生成された音波は、より小さな過密度から生成されたため、振幅が小さく、周波数が高かった。それらは大きく減衰され、単一の圧縮-希薄化サイクルを超えるとあまり持続しませんでした。空気中を伝わる超高周波音波も同様の理由で持続不可能です。

このすべてが起こっている間、宇宙は膨張を続け、冷えていました。約38万年後、電子が水素とヘリウムの原子核に捕獲されて中性原子を形成できるほど冷えた。宇宙論者はこれを再結合と呼びます。これは完了するまでに約 10 万年かかり、物質密度が高い領域ではよりゆっくりと起こりました。相互作用できる露出した電荷がなくなると、放射線が放出されました。それは拡散して、後に宇宙背景放射線と呼ばれるものを形成しました。この放射線の一部は当時目に見えていたでしょうが、明らかに周囲にそれを見る人はいませんでした。

輻射圧は音速と同様に劇的に低下し、高潮によって浜辺に運ばれた漂流物の列のように、バリオン物質の球形の殻がその場に凍って残った。最後で最大の圧縮波は、音の地平線と呼ばれる、最初の過密度から約 4 億 8,000 万光年ほど離れた、目に見える物質の集中した球体を残しました。

初期の大きく減衰した波は、宇宙全体の物質の分布に小規模な痕跡を残したでしょう。しかし、再結合の直前に構築された後の波は、振幅が大きく、周波数が低くなりました。実際、今日でもこれらの証拠を見ることができます。圧縮波に関連する物質密度の高い領域では、わずかに高温の背景放射が生成され、希薄化に関連する物質密度の低い領域では、わずかに低温の背景放射が生成されるためです。つまり、宇宙背景放射線の中に凍り付いたものには、ビッグバンからわずか数十万年後の物質の分布の痕跡が存在します。これは宇宙学者が「宇宙の特徴」と呼ぶものです。

この最後の音波の波長は、空間の曲率に敏感に依存します。そして、地球上の有利な地点から空に見えるものは、約 130 億年間のさらなる膨張の結果であるため、今日の宇宙の膨張速度の尺度であるハッブル定数の値も、この記述にしっかりと組み込まれています。

量子揺らぎと音響振動は両方とも、宇宙犯罪現場の血まみれの拇印のような、明らかな兆候を残しました。前者は、1992 年 4 月 23 日に、COBE 衛星ミッションによって検出された宇宙背景放射の全天地図における温度変化のパターンとして初めて世界に明らかにされました。それらを検出するプロジェクトの主任研究者であるジョージ・スムートは、発見の重要性を伝える最上級の言葉を見つけるのに苦労しました。 「もしあなたが信心深いなら、それは神に会っているようなものです。」と彼は言いました。音響振動はより敏感な楽器を必要としたため、明らかになるまでに少し時間がかかりました。

周回衛星から測定して、空の 2 つの異なる方向を見ているとします。これらの方向を結合して、空間に突き出た三角形を形成します。この三角形の頂点の角度を角度スケールと呼びます。

健全な地平線は、別のホット スポットから約 4 億 8,000 万光年離れた宇宙背景にホット スポットを見つける可能性が平均よりわずかに高いことを意味します。現在のビッグバン宇宙論は、この距離が約 1°の角度スケールに換算されることを示唆しています。これは、COBE に搭載された計測器から得られていた角度分解能の約 10 倍です。しかし、それぞれ2001年と2009年に打ち上げられたWMAPとプランク衛星ミッションでは、音の地平線だけでなく、0.1°未満の角度スケールにまで広がるさらなる音響振動も明らかになった。

バリオン物質の最終的な性質は、さらに明らかな兆候を残しました。小さな過剰密度は星や銀河の形成のための宇宙の種として機能し、過小密度は後に宇宙の網として知られる宇宙の大規模構造に空隙をもたらしました。したがって、別の銀河列から約 4 億 8,000 万光年離れた場所にある銀河列を発見できる確率は、平均よりわずかに高いはずです。

音響振動の分析により、天体物理学者は宇宙論的パラメータ（バリオン物質、暗黒物質、暗黒エネルギーの密度に加え、ハッブル定数、音の地平線、宇宙の年齢）を前例のない精度で決定することができました。しかし、安心しすぎてはいけません。ラムダ CDM と呼ばれる標準的な宇宙論のインフレーション モデルでは、私たちが目に見えるものは宇宙の 4.9 パーセントに過ぎず、暗黒物質が 26.1 パーセントを占め、残りは暗黒エネルギーの 69 パーセントであるという事実に満足せざるを得ません。

問題は、暗黒物質と暗黒エネルギーが何なのか、私たちにはまったくわかっていないことです。

ジム・バゴットの新しい本 不調和: ハッブル定数の問題の歴史 米国では2026年1月にオックスフォード大学出版局から出版される予定