[비즈한국] 最近、YouTubeチャンネル「BODA」に興味深い動画が公開された。長年尊敬してきた韓国の天文学者、イ・ヨンウク教授への直接インタビュー映像だ。イ・ヨンウク教授の研究チームは最近、既存の宇宙論モデルを覆す興味深いモデルを提示した。宇宙の膨張が加速するどころか、むしろ膨張速度が徐々に低下する「減速膨張」の時期に突入したという主張だ。しかも、様々な独立した観測結果がすべて一致して、この減速膨張する宇宙モデルを指し示している！果たして我々の宇宙の運命はどうなるのだろうか？
宇宙は膨張している。138億年前に宇宙が始まって以来、絶えず。これについては全ての天文学者が同意している。しかし、詳細となると意見が分かれる。膨張が一定の速度で続くという意見、どんどん速くなっているという意見、そして遅くなっているという意見の3つに大別される。
今日の宇宙の運命を語る上で最も重要なターゲットは超新星である。超新星はたった一つの星が爆発する現象だが、数千億から数兆個の星が集まった銀河全体に匹敵するほど非常に明るく輝く。遠く離れていても十分に観測できるため、遠い宇宙を示す良い「灯台」となる。
さらに伝統的に、I型超新星（Type Ia）は最も明るくなる瞬間の最大光度がほぼ一定だと考えられてきた。I型超新星はスペクトルに水素が見られない種類のものだが、これは水素をほぼ失った白色矮星が爆発して起こるからである。白色矮星は「チャンドラセカール限界」として知られる特定の限界質量を超えると爆発するとされている。その限界質量は常に一定であると考えられたため、I型超新星は宇宙の歴史を通して、いつどこで爆発しても同じ明るさを示す「標準光源」になり得るとみなされてきた。遠い宇宙で超新星が爆発すれば、その最大光度が本来どれほど明るいかを知っているため、それを単純に活用することで、その超新星が爆発した銀河までの距離を測ることができるというわけだ。
しかし、現実はそれほど単純ではない。I型超新星が爆発するメカニズムは非常に多様だ。代表的には、白色矮星が隣の伴星から物質を奪い取ったり、二つの白色矮星が衝突したりすることで爆発する。白色矮星が普通の巨大星とペアを組んで物質を吸収して爆発する場合を「シングル・デジェネラシー（SD）」、二つの白色矮星が衝突して爆発する場合を「ダブル・デジェネラシー（DD）」と呼ぶ。
また、白色矮星の中にニッケルのような金属成分がどれだけ含まれていたかによって、爆発時の最大光度は大きく変わる可能性がある。電子が多い金属元素は光を多く吸収し、天体の光度を暗くする一種の「不透明度」を高める要素として作用するからだ。
このようにI型超新星の起源や状況は非常に多様であるため、単純に最大光度が常に一定であると仮定して標準光源とすることは、かなり大雑把な仮定と言える。特に宇宙が歳を重ねて進化するにつれ、宇宙全体の銀河、星の化学組成、金属含有量が変化したため、超新星の明るさも銀河や星の年齢によって変わる余地がある。
すでに1980年代から一部の天文学者は、I型超新星を標準光源として用いるためには、こうした年齢に伴うバイアスを慎重に考慮する必要があるとの主張を提起していた。代表的な人物にベアトリス・ティンズリーがいる。遠くの銀河はビッグバン直後の初期宇宙を代弁する。近い銀河になるほど、後から生まれた年齢の高い銀河が混ざっている。初期の若い銀河では、I型超新星よりも寿命の短い重い星自体が崩壊して爆発するII型超新星の方が多かった。また、どれだけのI型超新星が爆発し得るかは、母銀河内の星の年齢分布や、星が歳を重ねて超新星になるまでに要する遅延時間を考慮した銀河の年齢によって変わってくる。
このような超新星の明るさの年齢バイアスは、比較的若い（遠い）銀河で爆発した超新星をより暗く見せてしまう。もしこれを正しく補正しなければ、単純に「遠い銀河は予想よりも遠い距離にあるから超新星が暗く見えるのだ」と判断してしまうことになる。そしてこれが、宇宙の膨張が徐々に加速しており、銀河までの距離が予想より遠ざかっているという結論につながる。
実際に1998年、アダム・リース、ブライアン・シュミット、ソール・パールマッターの研究チームは、この手法で宇宙膨張が徐々に加速しているという結論に達した。そして、重力と反対方向に宇宙を加速させる謎のエネルギー「ダークエネルギー」が、天文学の最もホットな難問として新たに浮上した。そして現在に至るまで、ダークエネルギーの正体は全く解明されていない。正体どころか、まともな候補さえ存在しない。
5年前、イ・ヨンウク教授の研究チームは、ティンズリーが悩んだ「年齢に伴う超新星の光度進化効果」を実際の観測データに基づいて立証した。実際の銀河の年齢によって超新星の明るさがどう変わるかを確認した結果、年齢が若い銀河ほど超新星が実際には暗く見えるはずだという結果が出たのだ！そして、年齢に伴う光度進化効果を追加で補正して改めて宇宙膨張の速度変化を確認した結果、既存の説とは異なり、加速膨張の効果が綺麗に消え去る結果を示した。
当時はこの主張も学界ではあまり受け入れられなかった。最大の理由は、依然として他の観測的証拠が加速膨張を支持しているように見えたからだ。しかし、状況は変わった。今回の追加論文は、ここ数年の間に出された他の独立した観測結果が、むしろ「宇宙が加速ではなく減速膨張している」というモデルをより支持していることを示しているからだ。
今回の追加研究でイ・ヨンウク教授チームが積極的に活用したデータは、「DESI」のデータである。プロジェクト名からして「ダークエネルギーの正体を探す」という抱負が込められている。この観測プロジェクトは、超新星ではない別の尺度で宇宙の距離を測る。すなわち「バリオン音響振動（BAO）」である。
太古の宇宙はプラズマ状態だった。初期の密度のわずかに高い地点を中心として、音波が広がるようにプラズマ上を波動が伝わった。やがて宇宙が膨張して十分に冷えたとき、プラズマはそのまま凍りついた。その瞬間、四方八方に広がっていた初期宇宙の音波もそのまま固定された。凍りついた波は密度の高い領域となり、そこを中心に銀河が形成された。そのため、現在の宇宙の大規模構造を見ると、銀河は無作為に分布しているわけではない。まさにこの時に作られた初期宇宙の音波、その振動のスケール分だけ、銀河同士は一定の間隔を保っている。これを初期宇宙のプラズマが凍りつき、宇宙の大規模構造にそのまま刻印された太古の振動の痕跡、「バリオン音響振動」と呼ぶ。
音響振動は宇宙の年齢に関係なく常に一定のスケールを維持しなければならない。したがって、I型超新星が「明るさが一定であると期待される標準光源」だとしたら、バリオン音響振動は「サイズやスケールが一定の標準さし」と言える。
昨年、DESIチームはバリオン音響振動を分析した結果、興味深い可能性を示した。ダークエネルギーが定数ではなく、時間によって変化する値であるということだ。長らくダークエネルギーはアインシュタインが唱えた「宇宙定数」とみなされてきた。宇宙が膨張して体積が増えても、ダークエネルギーの密度は常に一定でなければならなかった。まるで宇宙の全ダークエネルギーが絶えず付け加えられているかのように見える。そのため、どこから湧いてきたのか不明な新しいエネルギーという意味で「幽霊エネルギー」と呼ばれることもあった。しかし昨年のDESIチームの結果は、時が経つにつれてダークエネルギーが減少しているという新たな可能性を示した。
ただ、その結果においても宇宙が減速膨張までしているわけではなかった。初期に比べてダークエネルギーの強さが徐々に弱まっているという程度だった。車に例えるなら、アクセルペダルに足を乗せてはいるが、踏み込む力が少し弱まったという話だ。
しかし、イ・ヨンウク教授チームの新しい結果はそれを超越する。年齢に伴う超新星の光度進化を精密に適用した結果、現在の宇宙は単にアクセルを緩めただけでなく、むしろブレーキを踏んでいる状況のように見える。宇宙がすでに減速膨張に突入しているということだ！さらに面白いのは、DESIチームも実は同じ結果を見出していたということだ。
ただ彼らは、昨年の結果を出す際にバリオン音響振動の分析結果だけで完結させなかった。既存の（年齢に伴う光度進化を考慮していない）超新星データを混ぜ合わせて最終結果を得たのだ。もしDESIチームが最初から純粋にバリオン音響振動の結果だけを使っていたら、むしろ減速膨張という結果を得ていただろう。しかし、光度進化効果を考慮していない既存の超新星結果を混ぜて全体の平均を出してしまったために、減速膨張まではいかず「ダークエネルギーが少し減っているようだ」という程度の結果を得たのである。
イ・ヨンウク教授の研究チームは、既存の超新星データを除外し、純粋にDESIチームのバリオン音響振動の分析結果と比較した。その結果は驚くべきものだった。年齢に伴う超新星の光度進化効果を考慮した新しい結果が、バリオン音響振動のみの結果と完璧に一致したからだ。宇宙背景放射も同じモデルを指し示している。こうして独立した3つの宇宙論的観測手法がすべて同じモデルを支持しているというのは驚くべきことだ。
この結果は、単に「ダークエネルギーが全く存在しない」という意味ではない。宇宙が膨張しても常に同じ密度で維持される単純な定数だと考えられていたダークエネルギーが、実は時間とともに非常に多様に変化する不思議な代物だということを意味する。まるで水が固体、液体、気体を経て状態（フェーズ）そのものが変化するように、ダークエネルギーの状態方程式自体が変化せねばならない。ビッグバン直後は「幽霊エネルギー」のように振る舞い、一時は「宇宙定数」のように振る舞い、今はまた徐々に減少するという不思議な挙動をする。イ・ヨンウク教授チームの結果を正しく表現するなら、一般的に誤解されているような「ダークエネルギーはない」ではなく、「宇宙定数はない。ダークエネルギーは時間によって変化する変幻自在な存在だ」と語るべきだろう。
BODAのインタビューでイ・ヨンウク教授は、これが正確にどのような結末に至るかはまだ分からないと述べた。ただし、ダークエネルギーは従来考えられていたような単純な宇宙定数ではなく、全く別の概念であることを示唆していると語った。そして今回の発見が、将来、全く異なる方式の宇宙モデルへ向かう重要な足がかりになると述べた。
宇宙は進化する。そして宇宙を見つめる人類の宇宙観も共に進化する。長らく何事もなく常に同じ姿で維持されると考えられていた宇宙は、ある瞬間、急速に膨張する世界になり、また突然その膨張がますます速くなる世界になった。今やその膨張が徐々に緩やかになっているかもしれないという新たな可能性が開かれている。宇宙論はまだ完結していない。そしてこれからも完結することはないだろう。我々は真理に完璧に到達できないと知りながらも、ただ休むことなくその真理に少しずつ近づいているだけなのだ。
果たしてダークエネルギー、宇宙の加速膨張を語る現在の宇宙論はどのような運命を迎えるのだろうか？もしダークエネルギーが時間によって変化しているなら、その理由は何だろうか？今後、宇宙の運命はどうなるのか？刻一刻と変化するダークエネルギーと同じくらい、宇宙自体の運命も行く先が読めないようだ。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab5afc
https://academic.oup.com/mnras/article/544/1/975/8281988
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、宇宙の美しさを広める夢を持つようになった。現在は世宗大学校自由専攻学部助教授として、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。著書に『毎日宇宙の一片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないけれど知っている』、『宇宙を見ると浮かぶ不思議な質問たち』などがあり、訳書に『銀河ヒッチハイク・ガイド』、『私はなぜ冥王星を殺したか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などがある。