[비즈한국] 「それでも地球は回っている！」ガリレオ・ガリレイが裁判所から出ていく際に、こう独り言を呟いたと伝えられている（実際にそのような発言をした証拠はない）。宇宙にあるものは何であれ、本当に回転している。地球も、月も太陽も、そして私たちの銀河系も回転している。宇宙に存在するすべてのものは、その誕生の過程で、どれほど微小であっても角運動量を持たざるを得ない。システムを構成するすべての粒子の動きを平均化したとき、どの方向にも回転せず、全体の角運動量が完全に0に相殺されるほうがむしろ不自然である。さらに、宇宙のあらゆる天体は、元々広範囲に拡散していた粒子が重力によって凝集することで形成される。その過程で回転半径は小さくなり、全体の角運動量を保存するために回転速度は速まらざるを得ない。だからこそ、宇宙にあるすべてのものはくるくると回っているのだ。
では、宇宙全体はどうだろうか？もしそうなら、私たちが住むこの宇宙全体も、角運動量が0ではないのではないか？
実は、このような問いは天文学の歴史において非常に長く続いてきた。確実な答えはまだ分かっていない。しかし、今のところ宇宙が回転している兆候は見当たらない。だが、もし「私たちの宇宙が回転しているかもしれない」という大胆な仮定を受け入れるなら、現代宇宙論で最も長年解決できずにいる厄介なミステリーが鮮やかに解ける可能性がある。宇宙が本当に回転しているのであれば、観測手法によって宇宙の膨張率が異なる結果となる「ハッブル・テンション」という難問が簡単に説明できるからだ。
そもそも、宇宙全体が回転しているのではないかという考えは、1949年にある非凡な数学者によって提示された。哲学者であり数学者としても知られるクルト・ゲーデルは、アインシュタインの重力方程式を利用して非常にユニークな解を見出した。彼は宇宙が透明な流体のような媒質で満たされていると仮定し、この媒質を「塵」と呼んだ。そして、この媒質で満たされた宇宙が丸ごと回転する宇宙モデルを作成した。
アインシュタインの相対性理論によれば、質量を持つ存在は周囲の時空を歪める。ここに質量塊が回転する効果を加えると、より劇的な効果が追加される。布団の上にボウリングの球を置き、それを回転させるところを想像してほしい。球の回転とともに、布団も引きずり込まれてねじれる。実際に宇宙の時空において、回転するすべての物体は周囲の時空を巻き込むように引きずる。これを「フレーム・ドラッグ効果（慣性系の引きずり）」と呼ぶ。この効果は、2つの星が結合した連星パルサーや、木星のそばをスイングバイする探査機の軌道などでも確認されている。
ゲーデルの想像のように、もし宇宙が本当に全体として回転しているのであれば、当然ながら宇宙全域でフレーム・ドラッグ効果が発生しているはずだ。時空そのものが回転によって引きずられるため、我々から見て遠くの宇宙と近くの宇宙とでは、時空の歪み方に差が生じる。この効果まで考慮に入れて初めて、遠方の宇宙から近傍の宇宙に至るまでの膨張率、すなわちハッブル定数をより正確に把握できるのだ。
最近、ゲーデルの大胆な想像を実際に検証した驚くべき論文が発表された。現代宇宙論において天文学者を悩ませる難問の一つがハッブル・テンションである。ハッブル・テンションとは、宇宙の膨張率を示すハッブル定数の値が、観測方法によって異なって算出される問題を指す。
宇宙の銀河がどれほど速く遠ざかっているか、距離に応じた銀河の後退速度を比較する観測によれば、ハッブル定数は約73km/s/Mpcとなる。これは最も伝統的で直接的な宇宙膨張率の算出方法である。多くの天文学者は、この手法自体に致命的な問題はないと信じている。もちろん銀河までの距離を求める際に大きな誤差が出る可能性はあり、実際に最近はそのような疑問を呈する研究も出ているが、ハッブル宇宙望遠鏡とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によって大規模な観測を繰り返した結果、ハッブル定数は一貫して同じような値を示している。
また、ビッグバン直後の高温状態から宇宙が均一に膨張・冷却される過程で残された微弱な電波信号からも膨張率を知ることができる。この初期宇宙のビッグバンの残熱にあたる電波信号を「宇宙マイクロ波背景放射（CMB）」と呼ぶ。直近のプランク衛星の観測によれば、ハッブル定数は約67km/s/Mpcとなる。これは銀河の後退を直接観測して推定した値よりも小さい。つまり、銀河の後退から把握した宇宙の膨張は、宇宙全体の熱が冷めた痕跡から推定した膨張よりも速く見えているということだ。
これら2つの観測方法の食い違いが指摘され始めた20年前までは、天文学者たちはそれほど悩んでいなかった。当時は両手法とも誤差が大きく、大まかな誤差範囲で測定値が重なっていたからだ。やがて誤差が減り、観測手法が精密になるにつれて一つの値に収束すると期待されていた。しかし、その後の20年で起きたことは正反対だった。銀河の後退観測、宇宙マイクロ波背景放射、それぞれの手法で推定されたハッブル定数の誤差は大幅に縮まったが、2つの値の差はより明確になった。明らかに同じ宇宙の膨張を追っているはずなのに、まるで異なる2つの宇宙を見ているかのようなこの厄介な問題を、ハッブル・テンションと呼ぶ。
今回の論文は、宇宙が全体として回転しているために、近傍の宇宙と遠方の宇宙で実際にハッブル定数が異なって観測され得るという興味深い可能性を提示している。論文の核心となる結果を示したグラフは非常に興味深い。横軸はビッグバンから流れた宇宙の時間を、縦軸は宇宙の進化に伴うハッブル定数の変化を示している。
グラフの最も下に描かれた2本の黒い点線は、それぞれ超新星に基づいた銀河観測、宇宙マイクロ波背景放射から推定された2つのハッブル定数の測定値を示している。ごくわずかに差があることが分かる。この差こそが前述のハッブル・テンションである。両方の値とも、まさに現在の時点における宇宙膨張率、現在のハッブル定数を示している。
しかし、宇宙が膨張するにつれてハッブル定数も変化した。グラフの青い線は、今日天文学者が最も信頼する宇宙の標準モデル「ΛCDMモデル」に基づいたハッブル定数の変化過程である。暗黒物質（ダークマター）と暗黒エネルギーを反映した標準的なモデルだ。そして、グラフの緑色と紫色は、今回の論文が提示する「宇宙が回転している」というモデルにおいて、回転速度を少しずつ変えて仮定した際に、ハッブル定数がどのように変化するかを示している。
特にグラフの左右に詳細図（インセット）として描かれている画像を見ると、宇宙マイクロ波背景放射が拡散し始めた極初期の宇宙と、現代の宇宙において、各モデルによるハッブル定数が実際の観測結果とどれほど合致しているかが示されている。初期宇宙の粒子密度が薄まり、太古の光が拡散し始めた極初期の宇宙では、従来のΛCDMモデルも回転宇宙モデルも、どちらもハッブル定数の値は似通っている。
しかし、現代に近づくにつれてその差が大きく開く。ΛCDMモデルの結果である青い線と、回転宇宙モデルを適用した緑・紫の線が明確に分かれる。ΛCDMモデルの結果は約67km/s/Mpcを通過しており、これは宇宙マイクロ波背景放射の観測から推定されたハッブル定数と完全に一致する。一方で、回転宇宙モデルを適用した結果は約73km/s/Mpcという少し高い区間を通過しており、これは銀河の後退現象を直接観測して推定されたハッブル定数と一致する！今回の論文は、銀河を直接観測して推定した宇宙膨張率は比較的近い宇宙の姿を見せており、宇宙マイクロ波背景放射で見ている宇宙ははるかに遠方までの姿を見せているために、このような差が生じると推測している。
ゲーデルのモデルのように宇宙が全体として回転しているのであれば、距離によって私たちが目にする宇宙の姿は本当に異なり得る。つまり、ハッブル・テンションとは、まさに私たちが観測手法によって少しずつ異なる宇宙を見ていたために生じた結果かもしれないのだ！
それでは、現在観測されるハッブル・テンションを説明するため、すなわち銀河の後退から見た宇宙の膨張率が73km/s/Mpc程度であるためには、私たちの宇宙は丸ごとどれくらいの速さで回転していなければならないのか？実は非常に遅い。宇宙がおよそ5000億年で1回転する程度という、極めてゆっくりとした回転であれば、現在のハッブル・テンションを十分に説明できる。これまでの実際の観測で宇宙全体の回転を実感できなかった理由も十分に理解できる。
今回の論文が提示する宇宙全体の回転速度が遅すぎて期待外れだろうか。しかし、さらに驚くべき話が残されている。5000億年で1回転するという回転速度は、回転する宇宙が持ち得る「最速の限界速度」と一致するのだ！もし宇宙がこれより速い角速度で回転すると、時空が絡み合い、時間が逆流するなど、すべての物理法則が崩壊する問題が発生する。宇宙がたまたま理論的に持ち得る最速の回転速度で回っていると仮定すれば、現在残されている宇宙論の多くの難問が鮮やかに解決されるのだ！単なる偶然で片付けるには無視できないほど、興味をそそられる結果である。
この興味深い偶然は、以前紹介した「ブラックホール宇宙論」を思い出させる。私たちの宇宙が、もしかすると別の巨大なブラックホールの中に閉じ込められた世界かもしれないという仮説だ。ビッグバン直後の宇宙もブラックホールも、結局すべての質量が一点に集中している特異点であるという意味で、物理的に何ら違いはないというアイデアに基づいている。宇宙に存在するすべてのブラックホールは高速でスピンしているが、同様に私たちの宇宙もブラックホールの中に閉じ込められているなら、当然スピンを持っているはずだ。ここにさらなる偶然が隠されている。実際に宇宙全体がブラックホールに閉じ込められていると仮定し、現在の宇宙の全質量を考慮して、これほど重いブラックホールが持ち得る事象の地平線がどれほど大きいかを計算すると、私たちが把握している観測可能な宇宙のサイズと概ね一致するのだ！
宇宙全体の地平線のサイズも、宇宙全体の回転速度も、私たちの宇宙がブラックホールの中に閉じ込められた世界だと仮定すれば、すべての説明が噛み合っているように見える。ただし残念ながら、私たちの宇宙が本当に回転しているのかを観測で検証するのは非常に困難だ。私たちが宇宙の中にいるからだ。周囲の時空とともに私たち自身も同じような速度で回転しているなら、いくら周囲を調べても宇宙が本当に回転しているかどうかを認識する手段はない。
また、理論的に提示された宇宙の回転速度もあまりに遅い。本当にこの仮説が正しかったとしても、宇宙が1回転するのにかかる時間は5000億年だ。しかし、私たちが知る現在の宇宙の年齢はわずか138億年に過ぎない。これから宇宙がこれまで生きてきた時間の36倍もの歳月を過ごしてようやく1回転できるのだ。どんなに遠方の銀河を観察し続けたとしても、その天体の見える位置が微細にずれているかどうかを数年程度の観測で見抜くことはできない。
間接的な方法を考えることはできる。もし宇宙全体の角運動量が0ではないなら、宇宙で生まれたすべての銀河を平均すれば、結局は特定の方向に微小ながらも回転する成分を共有しているはずだ。宇宙全体の銀河の回転方向がランダムに分布しているのか、それとも特定の方向性を持っているのかを統計的に確認できる。最近紹介した研究も、まさにこの可能性に注目している（関連記事：[サイエンス] 宇宙が時計回りに回転する理由）。
正直なところ、最近まで天文学者たちはこのような主張に非常に懐疑的だった。伝統的に宇宙は特別な方向性を持たず、すべてのものが均等に分布する世界だと考えられてきた。こうした観点を天文学では「コペルニクス原理」と呼ぶ。宇宙のどの場所も特別なところはないという考え方だ。
しかし、最近になってこの観点も少しずつ疑問視されている。宇宙全域で観測可能な宇宙全体のサイズと比べて無視できないほど巨大な規模で、銀河の密度が高い、または低い分布を示す「超巨大構造」が次々と発見されている。さらに、宇宙マイクロ波背景放射の観測を見ると、到底理解できない疑わしい方向性が露わになる。まるで宇宙の半分が私たちに向かって近づき、残り半分が遠ざかっているかのような姿が確認される。太陽系自身の動きを除外しても、こうした理解不能な方向性が依然として残る。最近明らかになりつつあるこうした状況は、本当に私たちの宇宙が一点の曇りもなく誰に対しても公平で均一であり、コペルニクス原理が適用される世界なのか、疑問を抱かせる。
「それでも宇宙は回っている」。ガリレオの裁判から400年が経った今、人類は再び宇宙の回転をめぐる新しい法廷の前に立たされている。その400年の間に、考察すべき宇宙のサイズははるかに巨大になった。今度は宇宙そのものの回転なのだから。
参考文献
https://academic.oup.com/mnras/article/538/4/3038/8090496
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たいという夢を持つ。現在は延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室で銀河の相互作用による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（Some）乗る天体観測所』『一日中宇宙を考える』『星、光の科学』などの著書がある。