[비즈한국] 138億年前のビッグバンで始まった宇宙は、絶えず膨張を続けている。多様で独立した観測的証拠が、ことごとく宇宙の時空が膨張していることを示している。少なくとも「宇宙が膨張している」という大きな事実だけは、現代宇宙論においてどの天文学者も否定しない明確な事実だ。しかし、さらに掘り下げていくと、宇宙膨張モデルに対する天文学者たちの意見は少しずつ食い違う。最も重要な争点は「私たちの宇宙は正確にどれくらいの速さで膨張しているのか？」という宇宙の膨張率に関する問いだ。
長年天文学者を悩ませているこの難問は、まだ明確に説明されていない。しかし、この難問こそが、私たちの宇宙について全く予想外の新しい可能性を示す手がかりになるかもしれない。
伝統的に、宇宙の膨張は、周囲の銀河までの距離が遠ざかる銀河の後退現象として観測される。宇宙の時空が丸ごと均一に膨張することで、より遠い距離にある銀河ほど速い速度で遠ざかっているように観測されるのだ。銀河までの距離と、各銀河が遠ざかる速度が比例するというこの関係を「ハッブル・ルメートル則」と呼ぶ。宇宙の膨張を示す最も直接的な観測的証拠である。
一方、ビッグバン直後の非常に高い密度と温度を持った宇宙が、ゆっくりと低い温度へ均一に冷えていく過程で残されたビッグバンの熱の痕跡から、宇宙の膨張を証明する方法もある。ビッグバンの残熱は、現在、宇宙全域から降り注ぐ微かな電波ノイズの形で観測される。これを「宇宙マイクロ波背景放射」と呼ぶ。
問題は、銀河の後退現象と宇宙マイクロ波背景放射という、二つの代表的な宇宙の膨張率がわずかに食い違って測定される点だ。宇宙マイクロ波背景放射から推定される宇宙の膨張率は67km/s/Mpcである。より馴染みのある単位に換算すれば、1メガパーセク（約300万光年）の距離にある宇宙が、時速24万4000kmの速度で遠ざかっていることを意味する。
ところが、銀河の後退現象を用いて宇宙の膨張率を測定すると、少し異なる値が出る。最近では、非常に明るく爆発するIa型超新星の観測を通じて、100億光年以上先の遠方の宇宙まで銀河の距離と後退速度を測定するが、これによって推定される宇宙の膨張率は73km/s/Mpcとなる。同じく換算すると、1メガパーセクの距離にある宇宙が時速26万4000kmの速度で遠ざかっていることになる。
興味深いことに（超新星観測を通じた）銀河の後退現象から推定した宇宙の膨張は、宇宙マイクロ波背景放射のみから推定した膨張よりも約10%速く測定される。明らかに一つの宇宙を異なる方法で見ているだけなのに、使用した方法によって宇宙の姿が少し異なって観測されるのである。この難解な現代天文学のミステリーを「ハッブル・テンション」と呼ぶ。
では、なぜ遠方の銀河の動きから推定される宇宙の膨張が、宇宙マイクロ波背景放射から推定される膨張よりも速く見えるのだろうか？
宇宙を満たす銀河の動きには、実は非常に複雑な要素が混ざり合っている。宇宙の時空が膨張して各銀河間の距離が遠ざかる効果だけでなく、隣接する銀河同士が互いの重力で引き合う効果も存在するからだ。そのため、銀河の動きから宇宙の膨張率を求めるには、銀河同士が互いに引き合って動く効果を除去しなければならない。このように銀河が互いの重力で引き合う動きを「バルクフロー（Bulk flow）」と呼ぶ。こうした個々の銀河の重力を介した相互作用は、純粋な宇宙時空の膨張効果を銀河の観測のみから把握することを難しくする妨害要因となり得る。
周辺の銀河がどの方向へどのような速度で動いているかを観測した後、その全運動から純粋な宇宙時空の膨張のみを適用した際に予想される銀河の離散効果を差し引けば、銀河が互いの重力によってどの方向へ引きずられているか、重力による効果だけを別途抽出できる。最近、天文学者たちはこうした分析を通じて、非常に広大な領域の宇宙において、純粋に互いの重力で動く銀河のバルクフローを把握する観測を行った。天の川銀河を中心に約1億光年以内にある18万個の銀河の位置と動きを把握し、宇宙膨張の効果を除いた純粋な銀河のバルクフロー効果のみを分析する「コズミック・フロー・プロジェクト」である。
ところが、コズミック・フローの観測データを分析した天文学者たちは予想外の結果を発見した。約8000万光年以内にある非常に多くの銀河の大部分が、特定の「ケンタウルス座」方向付近へ向かってより速く流れているような一貫した平均運動を見せているのだ。まるでその方向の先に、何か巨大な質量の塊があって銀河を一定に引き寄せているかのようである。これは、銀河が私たちの周辺より高密度な領域の重力に引かれ、外側へ少し速く引きずり出されている可能性を秘めている。
銀河のこうしたバルクフローを根拠に、一部の天文学者は以前から、私たちの銀河系が周囲と比較して銀河密度が薄い空白領域、「巨大ボイド」付近に位置しているのではないかと推測してきた。宇宙を満たす銀河は無秩序に分布しているわけではない。密度が高い領域は重力が強いため物質が集まり、密度が低い領域は絶えず周囲に物質を奪われながら、空っぽの領域である「ボイド」を残す。そのため、銀河は複雑に絡み合った網目状の「宇宙大規模構造」を形成する。もし私たちの銀河系が本当に巨大な「ローカル・ボイド」付近にあったとすれば、なぜ周辺の銀河の動きが宇宙マイクロ波背景放射から推定される膨張よりも速く四方へ遠ざかっているように見えるのかが説明できる。
ローカル・ボイドの周辺には銀河が密集した領域がある。そのため、天の川銀河周辺の銀河は絶えず周囲の高密度地域へと引き寄せられる。ローカル・ボイドの中心付近に住んでいる私たちから見ると、あたかも周囲の銀河がより速く四方へ遠ざかっているかのように観測される可能性があるのだ！
実際に今回の分析で、コズミック・フロー・プロジェクトによって確認された周辺銀河の速い動きを、既存の超新星観測で推定した宇宙膨張率に改めて適用したところ、驚くべきことにハッブル・テンションがかなりきれいに解消されることが示された。私たちの周辺の銀河が一貫して一方向へ引きずられるバルクフローの動きを補正すれば、超新星観測から推定される宇宙膨張率は73km/s/Mpcから69km/s/Mpcまで減少する。これは宇宙マイクロ波背景放射のみから推定される宇宙膨張率とほぼ同等の値である！
それでは、本当に私たちの銀河系は、宇宙平均密度に比べて密度が非常にスカスカな巨大ボイド付近に位置しているのだろうか？ハッブル・テンションのミステリーを説明するには、私たちの銀河系は宇宙平均より密度が20%ほど低いボイド付近になければならない。しかし問題がある。暗黒物質（ダークマター）と暗黒エネルギーを想定した既存の宇宙進化標準モデル「ΛCDMモデル」では、これほど巨大な空っぽのボイドを作るのが難しいという点だ。
ΛCDMモデルでは、宇宙全体の密度分布はほぼ均一でなければならない。もちろん、初期に密度が高かった領域はさらに密度が高まり、低かった領域はさらに低くなることで、網目状の宇宙大規模構造の骨格が形成されるが、直径1億光年スケールという非常に巨大なボイドまでは再現できない。そのため、依然として少なくない天文学者が、ハッブル・テンションを「私たちが巨大ボイド付近にいるために生じる一種の錯視」と解釈しようとする試みに疑問を抱いている。
ところが今回の論文で、天文学者たちはもう一つ大胆な提案をしている。既存の暗黒物質と暗黒エネルギーを想定したΛCDMモデルではない、少し異なる方式で重力が作用し得る代替モデルを適用すれば、ハッブル・テンションのミステリーを説明できるというものだ。
天文学者は銀河系外縁部で過度に速く動く星々の動きを説明するために、銀河内に光は放たないが重力には寄与している未知の物質が存在すると推測している。これを暗黒物質（ダークマター）と呼ぶ。暗黒物質は銀河内の星の動きだけでなく、重力レンズなど、現在の様々な観測を通じてその存在がある程度事実として受け入れられている。暗黒物質は光と一切相互作用せず、ただ重力を通じてのみその存在を誇示するミステリアスな概念だ。しかし、暗黒物質が正確にどのような物質で構成されているか、その正体についてはまだ何も明らかになっていない。
そのため一部の天文学者は、暗黒物質ではない別の方法で銀河内の星の速すぎる動きを説明しようと試みている。その中で最も代表的な（そして比較的成功している）試みが「修正ニュートン力学（MOND）」仮説だ。簡単に説明すると、MONDは非常に距離が遠く、重力が弱く作用する天文学的なスケールにおいて、重力効果が既存の予想よりも強く作用しているかもしれないという仮定から出発する。既存の相対性理論が示す方法よりも遠距離で重力が強く作用し得るのであれば、銀河系外縁部でも星はより強い重力で引き留められるはずだ。そうすれば、銀河中心から遠く離れた外縁部の星々も十分に速い速度で旋回できるという説明がつく。
まさにこのMOND仮説を宇宙大規模構造に適用すると、興味深い結果が出る。遠距離で重力が既存の予想より強く作用し得れば、四方の遠くに位置する宇宙大規模構造の高密度領域が、より強い重力で私たちの周囲の銀河を引き寄せられるようになる。そうなれば、私たちが無理に非常に巨大な超巨大ボイドの中にいると仮定しなくても、周辺の銀河がかなり速い速度で四方へ引き寄せられているように見えることを説明できる。
今回の論文の結果によると、既存の方法ではなくMOND方式で重力を適用すれば、きれいにハッブル・テンションが消滅する！つまり、宇宙マイクロ波背景放射から推定した宇宙膨張率と、銀河の動きから推定した宇宙膨張率の差がすっきりと解消されるということだ！そしてようやく私たちの宇宙は、単一の膨張率だけを持つ平和な宇宙になる。
もちろん、MONDには既存の暗黒物質モデルで説明されてきた他の多様で独立した観測結果を完璧にはカバーできないという重要な限界がある。しかし、今回の研究は単なる一つの銀河系スケールではなく、宇宙全体の規模でMONDを適用し、それを通じて未解決の現代宇宙論の巨大な難問を解決する可能性を提示したという点で、非常に興味深い結果といえる。
MOND仮説はまだ天文学界では主流とはいえない。しかし、その系譜が途絶えることなく、執拗に議論され続けている。果たしてMONDは、宇宙論的な次元でハッブル・テンションというミステリーを鮮やかに解決する天文学界の新しい主流として浮上できるだろうか？網目状に複雑に絡み合う宇宙大規模構造の結び目と同じく、宇宙の秘密はまだ解明されていない。
宇宙大規模構造は、私たちが住む宇宙の姿をそのまま映し出す単なる地図を超えて、宇宙の秘密をぎっしり詰め込んだ宝の地図といえる。連日曇り空が続く憂鬱な天気の中でも、雲の向こうの宇宙大規模構造を毎日感じたいという「宇宙オタク」の読者のために用意した特別なプロジェクトを紹介する。
傘が大きく広がる瞬間は、まるで時空が一瞬にして広がるビッグバンの瞬間のようではないか。半径490億光年の観測可能な丸い宇宙のど真ん中に私たちが毎瞬立っているように、宇宙を抱いている丸い傘のど真ん中に立っていれば、いつでも自分だけの宇宙を感じられそうだ。そこで、宇宙大規模構造の姿を刻み込んだ「自分だけの観測可能な宇宙傘」というプロジェクトを開始した。
138億年にわたる宇宙大規模構造の形成過程を最もよく描写したシミュレーションを、一針一針傘に刻み込み、傘を広げれば自分だけの観測可能な宇宙が開かれる。雨粒が落ちる曇りの日でも、宇宙の主人公になってみてほしい。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4388/7337338
https://academic.oup.com/mnras/article/524/2/1885/7218572
https://academic.oup.com/mnras/article/526/2/3051/7296158
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/775/1/62
筆者のJi Ung-baeは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えるという夢を持つようになった。現在、延世大学校銀河進化研究センター及び近宇宙論研究室で銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。