[비즈한국] 宇宙は膨張している。はるか遠くの銀河は私たちから遠ざかっている。概して、銀河が遠いほど速く遠ざかる。ここまでは今日、誰も疑わない事実だ。ところが最近、宇宙論論争の焦点は少し別の場所へ移っている。
宇宙の膨張は加速しているのか、それとも加速の程度が弱まっているのか。さらには、すでに減速に転じたのではないか？
自動車に例えれば、宇宙は依然としてアクセルを踏んでいるのか、それとも徐々に足を離しているのか、あるいはブレーキを踏み始めたのかを問うているのだ。
この問いは、単に宇宙の未来を予測する問題にとどまらない。現在、宇宙全体のエネルギーの約70%を占めると考えられているダークエネルギーの実体に関する論争である。ダークエネルギーは本当に存在するのか、存在するならば時間が経過しても常に一定なのか、それとも時間とともに増減するのかという問いに変わっている。
この壮大な物語は1998年に始まる。2つの研究チームが、非常に遠い宇宙の銀河で爆発したIa型超新星を観測した。一方はソール・パールマッターが率いるチーム、もう一方はブライアン・シュミットとアダム・リースが率いるチームだった。彼らが本来確認しようとしていたのは、宇宙の膨張が重力によってどれほど「遅くなって」いるのかという点だった。当初、彼らは宇宙の加速膨張ではなく、むしろ減速膨張を証明する目的で研究を始めたのだ。
宇宙は非常に多くの物質で満たされている。物質は重力によって互いに引き合う。したがって、ビッグバン以降に宇宙が膨張したとしても、物質の重力はブレーキのように宇宙の膨張を徐々に遅くさせるはずだ。これがはるかに自然な予測である。ところが、両チームとも正反対の結果を観測した。リース研究チームが分析した遠方の超新星は、ダークエネルギーのない低密度宇宙で予測した既存の数値よりも、平均で約10〜15%遠くにあるように見えた。パールマッター研究チームも、42個の高赤方偏移超新星を活用して同様の結論を出した。遠方の超新星が予想よりも暗く見えることは、それらが予想よりも遠くに存在するという意味で解釈された。過去のある時点から宇宙が予想以上に速く伸び、期待以上に遠ざかっていることを意味していた。こうして両研究チームは、それぞれ「宇宙の膨張速度は遅くなるどころか、むしろ加速している」という結論を下した。
この発見により、パールマッター、シュミット、リースの3氏は2011年にノーベル物理学賞を受賞した。問題は、それなら一体何が宇宙の膨張を加速させているのかという点へと移る。
一般相対性理論において、宇宙の加速は単にエネルギーが多いだけで簡単に起こるものではない。通常、物質と放射は重力を通じて宇宙の膨張を減速させる。宇宙膨張を加速させるには、密度は正だが負の圧力を持つ、非常に奇妙な何かが別途必要になる。これを宇宙論の状態方程式で表現すると、宇宙膨張の加速・減速の可否は、エネルギー密度(ρ)と圧力(P)を組み合わせた値、ρ+3P/c^2で表すことができる。宇宙が加速するには、この値が負にならなければならない。圧力がエネルギー密度のマイナス3分の1よりも小さくなければ、宇宙は加速膨張できない。天文学者たちは、到底理解しがたいこの奇妙な成分をダークエネルギーと呼ぶ。
最も怠慢で気楽な解釈は、空の空間そのものがエネルギーを持っているとする「宇宙定数」だ。この場合、ダークエネルギーは完全な負の圧力を持つことになり、ダークエネルギーの状態方程式は-1となる。空間が伸びても密度が減ったり変わったりしない、非常に奇妙な状態が作られる。しかしこれは数学的な説明に過ぎず、その実体を確認したわけではない。依然としてダークエネルギーの正体が何なのか、本当に存在するのか、何も分かっていない。単純に真空エネルギーがダークエネルギーだと仮定すれば、逆に宇宙を説明するために必要なレベルを圧倒するほど、過剰なダークエネルギーが出てきてしまう。これでは答えにならない。
ところが当時、超新星研究チームの発見には重要な前提が一つあった。Ia型超新星がどれほど明るく輝くのかを私たちが正確に知っているという前提だ。Ia型超新星は、白色矮星を含む連星系で発生する熱核爆発の結果である。白色矮星とは、太陽に近い質量の星が寿命を終えて残した燃えカスのような星だ。地球ほどのサイズに太陽レベルの質量が圧縮された、高密度の天体である。白色矮星が単独ではなく隣に伴星を連れていれば、伴星から物質を奪って再び重くなる。白色矮星が「チャンドラセカール限界」である太陽質量の1.4倍よりも重くなれば、その瞬間に超新星爆発が起きると考えられていた。
しかし現在は、Ia型超新星の爆発メカニズムがより複雑で多様であることが分かっている。白色矮星と普通の星のペアだけでなく、多様な方式で爆発が起こる。白色矮星同士が衝突するときも、似たようなスペクトル様相を示すIa型超新星爆発が可能だ。この場合、チャンドラセカール限界より軽い質量で、白色矮星の表面から始まった火種が爆発につながることもある。宇宙で観測されるIa型超新星のうち、どの方式の爆発がどれくらいの割合で発生しているのかは、まだ全く把握できていない。したがって、Ia型超新星をひたすら同じ明るさで爆発する完璧な「標準光源」として扱うのは、誤った前提かもしれない。
ただし、爆発後に明るさがどれほど速く暗くなるか、色がどれほど赤く見えるかなどを測定すれば、超新星の本来の明るさをある程度補正できる。一般的に、より明るい超新星は最大光度に達した後、よりゆっくりと暗くなる傾向がある。これを「超新星光度変化の線幅と光度の関係」と呼ぶ。天文学者ロバート・トリップ(Robert Tripp)は、このように超新星の明るさの変化様相を通じてその明るさを標準化する手法を開発し、これまで多くの研究がトリップの補正方程式を活用して超新星を標準化してきた。
しかし、このような補正を経ても微細な違いが残っている。代表的なものが、いわゆる超新星の「質量ステップ（mass step）」だ。簡単に言えば、超新星が発生した銀河の質量によって、標準化を経た後も超新星の明るさに微細な差が残る現象である。一般的に質量の大きい銀河で起きた超新星と、小さい銀河で起きた超新星の間には、数百分の数等級程度の小さな差がある。この差が銀河の質量自体によるものなのか、あるいは質量に応じて変化する銀河の金属含有量、光を遮る塵、星形成の効率によるものなのかは、まだ明確ではない。最近の論争はまさにここから始まった。
もしMass stepの原因が、銀河または超新星が爆発する前の星（progenitor）の年齢に起因するものだとしたらどうだろうか？ 古い星から作られた白色矮星と、若い星から作られた白色矮星の爆発瞬間の明るさが、標準化後も実際には異なっていたならば、私たちが遠い宇宙を観測するほど深刻な偏りが生じる可能性がある。遠い銀河を見るということは、すなわちより遠い過去の宇宙を見ることだ。言い換えれば、宇宙がより若かった時代に遡るということである。近い宇宙の超新星サンプルには比較的古い銀河が多いが、遠い宇宙へ行くほど若くて幼い銀河が多くなる。もし若い宇宙で起きたIa型超新星が、標準化補正後も実際には暗かったとしたら、私たちは「超新星がより遠くにあるから暗く見えるのだ」と勘違いしている可能性がある。
そうであれば、宇宙が予想より速く膨張しているという「加速膨張」の発見そのものが大きく揺らぎかねない。銀河や星の年齢による超新星の本来の明るさの差から生じた、致命的な錯視かもしれないからだ。
2025年、延世大学校の研究チームは、標準化を経た超新星の明るさと母天体の年齢の間に、最大5.5シグマレベルの相関関係が現れると報告した。母天体が約10億年違うごとに0.03等級の差が生じた。若い星の集団で起きた超新星であるほど、標準化後も暗く見える傾向があった。近い宇宙と遠い宇宙を極端に比較すれば、超新星の母天体の年齢も約50億〜60億年以上違う可能性がある。このような差を考慮すれば、遠方の超新星の明るさは0.16等級ほど暗く見える可能性がある。数字としては些細に見えるかもしれないが、宇宙論では決して無視できない差だ。
その後、後続研究でこの「年齢バイアス」を追加で補正し、最近の宇宙マイクロ波背景放射、そしてDESIの膨大な銀河分布地図データを組み合わせた。その結果、ダークエネルギーを前提とした既存の標準宇宙モデルとは全く合わなかった。その差はなんと9シグマレベルだった。むしろ宇宙膨張の減速・加速の可否を示すパラメータであるq_0が、0より大きい0.092程度という結果が出た。この値が0より大きい正数であれば、宇宙は減速膨張をしていることを意味する。もちろん依然として誤差は大きいが、その数値だけを見れば、すでに宇宙が減速膨張期に入ったと解釈できる衝撃的な結果だ。重要なのは、既存の宇宙の急激な加速膨張の兆候がほぼ消えてしまったという事実である。
これに対し、既存のアダム・リースを主軸とした研究チームが激しい反論を続けている。最近の追加論文でリース研究チームは、延世大学校研究チームの分析には問題があると主張した。彼らの核心的な主張は、銀河の年齢効果と既存のMass step補正は、互いに独立した効果ではないというものだ。延世大チームは銀河の年齢による差を補正した後、再び銀河質量による標準補正を併用した。しかし、銀河の年齢と質量は密接に関連しているため、実質的に同じ補正を過度に行ったのではないかという指摘だ。そうした上で、既存のMass stepを先に補正すれば、超新星の標準化された明るさと銀河年齢の間には特別な相関関係は現れないと主張した。
遠方の超新星と近方の超新星の母天体年齢が50億年違うと仮定した点についても反論した。彼らはこのような仮定が、実際の年齢差より3〜5倍ほど誇張されていると指摘した。延世大チームは厳密にその超新星を作った母天体の年齢を用いたのではなく、その超新星を宿す銀河全体の年齢を利用した。これは観測の限界上避けられない妥協だが、銀河全体の年齢と実際に爆発した超新星の母天体の年齢を同一視することはできないという点において重要な限界でもある。
この問題をさらに確認するため、リースとムラカミの共同研究チームは、超新星爆発が確認された約7000個の銀河の星形成史を分析した。その結果、Ia型超新星の母天体の平均年齢は35億年だった。ところが、宇宙の時間に応じて変わる母天体の年齢差は、わずか15億年程度に過ぎなかった。これほど短い年齢差であれば、遠方の超新星と近方の超新星の明るさの差は、わずか0.007等級程度に過ぎない。誤差の範囲内で大きな影響がないレベルに消えてしまう。
だが、これで戦いが全て終わったわけではない。延世大チームは、リースと共同研究したワイズマンの結果はあまりに広範囲な赤方偏移の銀河を一括で分析したものであり、そのため年齢と明るさの相関関係を意図的に平坦にしてしまったと指摘した。そしてMass stepを補正する際に使用した銀河の塵モデルにも問題があると指摘した。反論と再反論、また別の再反論が絶え間なく続いている最中だ。
ところが、過去3年間に1400万個の銀河とクエーサーを観測した膨大なDESIのデータが発表され、戦いは新たな局面を迎えた。DESIの観測結果と宇宙マイクロ波背景放射だけを組み合わせると、ダークエネルギーは既存の標準モデルとは異なり、一定の宇宙定数ではなく時間とともに変化しているように見える。ここにリースか延世大学校研究チームのいずれかの超新星標準化方式を適用するかによって、結果が大きく変わる。DESI研究チームはまだ慎重だ。直ちに「ダークエネルギーは存在せず、宇宙が減速膨張している」とまでは主張していないが、ダークエネルギーがひたすら一定の宇宙定数ではなく、時間とともに変化する物理量である可能性について、慎重に賭けている。
さらに、ダークエネルギーそのものがそもそも不要かもしれないという数学的な主張も登場した。宇宙の膨張と状態を説明するフリードマン方程式を活用し、宇宙がごく小さな摂動だけでも不安定になり得るという新しい解を見つけ出したのだ。標準宇宙論は、大きな規模で宇宙が均一であり、あらゆる方向で同一だと仮定する。これを宇宙論的原理と呼ぶ。この仮定を適用すれば、宇宙の平均的な膨張は単純なフリードマン方程式で説明できる。しかし、実際の宇宙は完全に均一ではない。銀河が集まった超銀河団があり、物質がほとんどないボイド（空洞）もある。
今回の分析によれば、フリードマンの解は事実、鉛筆を尖った先で立てておいたような、最も理想的で不安定な状態に近い。数学的には可能だが、現実性は乏しい。ごく小さな息を吹きかけるだけでも鉛筆は倒れる。同様に、初期宇宙に小さな密度ゆらぎがあったなら、均一なフリードマン宇宙から外れて、より速く膨張する解が自然に導き出される。わざわざ宇宙定数やダークエネルギーのような新しい要素を追加しなくても、アインシュタインの元の方程式の枠内で、加速膨張と似た現象が発生しうることを示したのだ。
もちろん、これが延世大学校研究チームの主張をただちに支持するわけではない。表面的には、両研究ともそれぞれ観測と理論を通じてダークエネルギーに疑問を投げかけている。しかし、延世大チームは超新星の明るさ補正に疑問を呈し、「そもそも加速膨張自体が錯覚かもしれない」と主張する。一方、最近の理論的分析は加速膨張を否定はしない。加速膨張は認める。ただ、それを説明するためにわざわざダークエネルギーを仮定する必要はないと主張するのだ。
加速膨張自体を疑う延世大学校研究チーム、そして加速膨張を認めながらもダークエネルギーは必ずしも必要ない可能性があるとする理論的可能性まで。宇宙の運命を語る天文学者、物理学者たちの戦いは、より複雑で混乱したものへと変わっている。
今後この問題は、より多くの観測を通じて新たな局面を迎えるだろう。去る6月30日、チリのベラ・ルービン天文台は今後10年間にわたるLSST観測を本格的に開始した。南半球の空を数日間隔で休むことなくスキャンし、10年間で1000万個の超新星に関連するデータを確保する予定だ。これまでに出てきた超新星研究を圧倒する、最大規模のデータを得ることになる。
また去る8月30日に打ち上げられた新しい宇宙望遠鏡、ナンシー・グレース・ローマンの観測も、超新星宇宙論に新たなヒントを提供するだろう。地球大気の妨害から離れ、はるか遠い宇宙に至る、最も広範囲な時間範囲にわたりIa型超新星を均一に観測することになる。
少なくとも今後10〜20年の間に、この熱い戦いの結末が徐々に輪郭を現すのではないかと期待している。
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という夢を抱いた。現在、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ともに行っている。『天文学者の「役に立たなさ」について』、『私たちは皆、天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタムライフ』、『UFO』などを翻訳した。