[비즈한국] 宇宙はどの方向を見ても同じであり、どの場所から見ても同じである。これを宇宙の等方性、均質性と呼ぶ。この二つは、今日の現代天文学の最も根幹となる視点である。もちろん宇宙の至る所には、星が集まった星団や銀河がある。銀河も銀河団として群れをなして存在している。銀河が周囲より高密度である超銀河団やフィラメントがある一方で、周囲より銀河の密度がはるかに低く、空っぽのボイドも存在する。
しかし、これはすべて局所的な次元の不均一さに過ぎず、天文学者たちは宇宙の巨大なスケールが、この些細な不均一さをすべて希釈するだろうと考えてきた。宇宙はどの場所でも同じで一貫しており、公平であるというものだ。局所的には物質の多少による密度の違いがあるように見えるが、宇宙全体で見れば事実上、均質であるということ。この大前提は決して崩れるはずがないと考えられていた。
ところが最近、一部の天文学者がこの大前提に挑戦状を突きつけた。もしかすると、私たちの宇宙は均一な世界ではないかもしれない。宇宙の大規模構造であるフィラメントやボイドは、実は宇宙の巨大なスケールだけでは消し去ることができない、かなり有意な不均一さなのかもしれない。宇宙をこれ以上「均質な世界ではない」と見なすこの視点を「タイムスケープ（Timescape）」仮説と呼ぶ。
果たしてこの仮説は、単なる興味深い数学的な遊戯に過ぎないのだろうか？それとも、私たちが直面している現代天文学の難題を解決する新たな糸口なのだろうか？
依然として宇宙には、私たちが完全に理解できていないミステリーが多い。最も代表的なのがダークエネルギーである。1990年代後半から天文学者たちは、より遠い宇宙の超新星を観測しながら、過去から現在に至るまで宇宙の膨張率がどのように変化してきたかを把握した。その結果、現在に近づくほど宇宙の膨張が速くなる「加速膨張」をしているという結論に達した。この観測結果を説明するためには、宇宙を収縮させようとする重力に反する、新しい「反重力エネルギー」を仮定しなければならなかった。結局、ダークエネルギーという未知のエネルギーが宇宙を支配していると結論付けたが、その正体は依然として明らかになっていない。
宇宙をこれ以上「均一な世界」と見なしてはならないと主張するタイムスケープ仮説は、ダークエネルギーが実は虚像であったという結論を指し示す。そもそもその正体が何なのかを私たちが悩む必要すらない、単なる観測の誤解であったということだ。従来のダークエネルギーに基づいた標準模型よりも、むしろタイムスケープ仮説を活用した代替モデルの方が、これまでの超新星観測結果とよりよく合致するという主張が提起された。果たしてダークエネルギーは、宇宙に対する私たちの誤った願望から生まれた大きな錯覚だったのだろうか？
時間が経過するにつれて宇宙の膨張が速くなっているのか、あるいは遅くなっているのかを把握するには、過去を見せる遠い宇宙から比較的近い宇宙まで、多様な距離にある銀河を観測しなければならない。特に遠い過去の宇宙を代弁する遠方の銀河は非常に暗い。遠い銀河を観測する際、超新星は非常に有用である。太陽が100億年の生涯で放出するエネルギーを瞬時に吐き出すほど、非常に明るく爆発するからだ。
超新星の中でもIa型超新星はさらに有用である。この種類の超新星は、進化がすでに遠い昔に終わった白色矮星が、再び限界を突破して爆発するものとして知られている。Ia型超新星が爆発する方式には、大きく分けて二つある。一つは、そばに平凡な主系列星や赤色巨星を伴っていた白色矮星に、伴星の物質が流入して爆発する場合、もう一つは二つの白色矮星が互いに衝突して爆発する場合である。
それぞれの方式によって爆発が続く時間や最大光度が少し異なる可能性があるという疑念が絶えず出ているが、伝統的に二つの方式とも爆発の閃光が最も明るくなる「最大光度」が似ていることが知られている。つまり、Ia型超新星が爆発すれば、実際の明るさをある程度見積もることができるという意味だ。距離が不明な状態でも実際の明るさを導き出して距離を割り出せる「標準光源」として受け入れられている理由である。そのため、Ia型超新星は遠い銀河までの距離を測るための尺度として使われる。
ただし、超新星はいつどこで爆発するかをあらかじめ待ち構えることはできない。常に爆発が起きた後に、遅れてゆっくりと消えていく火種を眺めるだけである。そこで天文学者たちは、1990年代から地球全域に配置された複数の望遠鏡でネットワークを構成し、可能な限り周期的に同じ方向の空を観測し続け、自動的に超新星の閃光を探し出す「狩り」を始めた。これを通じて1998年、初めて40個に達するIa型超新星の観測データを収集した。まさにここから、宇宙が時間の経過とともに膨張が速くなってきたという証拠が発見された。
驚くべき結果だった。しかし、わずか40個の超新星を分析しただけでは不十分だった。その後、超新星を専門に探索する多様な大規模観測が行われた。最も代表的なのが「パンテオン（Pantheon）プロジェクト」である。パンテオン・チームは2018年に最初の観測データを公開し、その後2022年にはさらにアップグレードされたパンテオン+データを完成させ、合計1500個に達するIa型超新星の観測データを提供した。大幅に増えた超新星の観測データは、従来の加速膨張仮説をより少ない誤差で支持しているように見えた。
今日の天文学は、宇宙がダークマター25%とダークエネルギー70%で構成されていると推定する。残りのわずか4~5%だけが、私たちが光を通じて見ることができる原子で構成されている。しかし、この推定は「宇宙が巨視的規模で均質である」という大きな仮定を前提とする。そもそもその仮定が間違っているならば、宇宙に対するすべての予測は大きく変わる可能性がある。
宇宙の大規模構造を見てみよう。地域によって銀河が高い密度で集まった超銀河団やフィラメントがあり、銀河がほとんどない空っぽのボイドもある。ボイドは重力が弱い。そのため、密度が高い他の地域よりも速く膨張できる。光がボイドを横切って飛ぶならば、他の場所よりも膨張が激しいため、光の波長もより長く引き延ばされる可能性がある。より大きな赤方偏移を経験するように見える原因となる。
一方、重力の違いは時間の流れる速度にも影響を与える。アインシュタインの相対性理論によれば、重力が強い場所では時間はよりゆっくりと流れる。空っぽのボイドに比べて銀河で満たされた超銀河団は重力が強く、したがって時間の流れはより遅くなる可能性がある。私たちは比較的銀河が多く集まった銀河団の片隅に住んでいる。そのため、私たちは時間の流れが宇宙平均よりも少し遅く流れているように認識する可能性がある。反面、銀河がほとんどなく空っぽのボイドでは、時間はより速く流れるだろう。
もし宇宙の大規模構造の密度差が、巨視的な観点でも無視できないほど非常に不均一であるならば、話は完全に変わってくる。地域別の重力の差による膨張率の違い、そして時間遅延の違いが複合的な影響を及ぼしうる。密度の高い銀河団に住んでいる私たちは、空っぽのボイドを経て飛んできた光を見ながら、宇宙が過去に比べて現在に向かうにつれて膨張率が大きくなる「加速膨張」をしていると錯覚する可能性もある。実際の宇宙よりも速く膨張しているように見せかけている可能性があるということだ。
ダークエネルギーが宇宙の加速膨張を支配していると見る既存の「標準ΛCDMモデル」と、宇宙の不均一さをより積極的に反映する必要があると主張する「タイムスケープ・モデル」。この二つのうち、どちらのモデルがパンテオン+の超新星観測データをよりよく説明できるかを比較してみると、結果は興味深い。
上のグラフは、パンテオン+観測データで確認された超新星までの距離に応じて、二つのモデルのうちどちらが観測結果をよりよく描写しているかを比較している。黒い線は実際の超新星観測データの傾向である。線が上側の青い領域に近いほどタイムスケープ・モデルにうまく追従していることを意味し、下側の赤い領域に近いほど既存のΛCDMモデルをより支持していることを意味する。
依然として誤差は大きいが、全体的に実際の観測データ（黒い線）は上の青い領域により近い。既存のΛCDMモデルよりも、むしろタイムスケープ・モデルの方が観測結果を少しだけよく説明している。特に赤方偏移が小さい近い距離に置かれた超新星において、違いがより顕著である。
超新星の観測データは有用だが、まだその数が十分ではない。したがって、何が正しいかを結論付けるのは難しい。ただ興味深い事実は、既存の標準モデルだけでは簡単に解決されない大小の問題が一つ、また一つと積み重なっているということだ。ほんの数年前まで、天文学者たちは大きな枠組みには手を触れず、些細な仮定や補正値を修正しながら標準モデルの寿命を延ばそうとしていた。しかし今、天文学者たちはより過激で勇敢になった。巨視的な観点では宇宙の密度が全体的に平坦であるという、現代天文学の最も根幹となる前提条件に疑問を呈し始めたのだ。
タイムスケープ・モデルは、宇宙の大小の密度差による重力的効果を見過ごしてはならないと主張する。宇宙は私たちが考えるよりも平坦でも均一でもなく、非常に複雑な世界であると語る。宇宙は私たちが思っていたよりも、はるかに繊細に扱わなければならないのかもしれない。
参考
https://academic.oup.com/mnrasl/article/537/1/L55/7926647
https://academic.oup.com/mnras/article/533/3/2615/7737665
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac8b7a
筆者チ・ウンベは？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、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室にて、銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天台（썸 타는 천문대）』、『一日中宇宙を考える（하루 종일 우주 생각）』、『星、光の科学（별, 빛의 과학）』などの著書がある。