『米航空宇宙局（NASA）のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）から得られた新しいデータにより、宇宙がどの程度の速さで膨張しているかにまつわる謎が深まっている。今回の発見は、宇宙の膨張速度についての真相を解明するには、未知の物理学が必要となる可能性を示唆している。論文は査読前論文を投稿するサーバー「arXiv」で2023年7月28日に公開された。
約138億年前に誕生して以来、宇宙はあらゆる方向へ膨張を続けている。「ハッブル定数」と呼ばれる、現在の宇宙の膨張速度を分析することにより、研究者らは宇宙の年齢を推定できる。また、宇宙が永遠に膨張を続けるのか、自ら崩壊するのか、それとも裂けてしまうのかなど、その行く末を詳しく予測することができる。
ハッブル定数を測定するうえで研究者が用いる戦略は主に2つある。ひとつは、超新星やケフェイド変光星（セファイド変光星）など、科学者がその性質をよく知っていて地球から比較的近い天体を利用し、それらがどの程度の速さでわれわれから遠ざかっているかを推定するというやり方だ。
もうひとつは、ビッグバンの名残である「宇宙マイクロ波背景放射（CMB）」を調べて、宇宙が初期以来どれだけの速さで膨張してきたのかを推定する方法だ。
意外なことに、過去10年の間に、これらふたつの方法からは相反する結果が導かれている。
欧州宇宙機関（ESA）のプランク宇宙望遠鏡による宇宙マイクロ波背景放射の観測結果は、宇宙は67.4キロメートル毎秒毎メガパーセク（1メガパーセクは約326万光年）で膨張していることを示唆している。それに対して、ハッブル宇宙望遠鏡を用いて近くの超新星やケフェイド変光星から得られたデータは、それよりも速い約73キロメートル毎秒毎メガパーセクという速度を示している。
「ハッブル対立」と呼ばれるこの問題の解決は、宇宙の進化とその運命の解明につながる。考えられる対立の原因のひとつは、ハッブル定数を算出する方法が単純に間違っているというものだ。
「この食い違いは単なる測定誤差で、すぐに消えてなくなるのではないかという希望的観測もありました」と、今回の論文の著者である米宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）の天体物理学者アダム・リース氏は言う。氏は宇宙の膨張が加速しているという発見に貢献したことにより2011年にノーベル物理学賞を受賞した。
今回の新たな研究においてリース氏らは、高い解像度を誇るウェッブ望遠鏡を用いて、地球から約2300万光年離れた「NGC 4258」と、約7200万光年離れた「NGC 5584」という2つの銀河にある320個以上のケフェイド変光星を分析した。
これにより判明したのは、ウェッブ望遠鏡がハッブル宇宙望遠鏡に比べて、およそ3倍の精度向上を示したということだ。「20％程度の向上でも十分だと思っていましたから、3倍というのはほんとうにすばらしい数字です」とリース氏は言う。
しかし、新しい観測結果にもとづくハッブル定数の推定値は、ハッブル宇宙望遠鏡の観測結果にもとづくものとほぼ一致していた。「以前の推定値が、ウェッブ望遠鏡による試験にパスしたわけです」と、米国立光学赤外線天文学研究所の天文学者ジョン・ブレイクスリー氏は言う。氏は今回の研究には関わっていない。
「どこかの時点で、これは測定誤差ではないと認めなければなりません。そしてもし誤差でないのであれば、それは宇宙について非常に興味深いことを示しています」とリース氏は言う。「謎は深まるばかりですが、これはいい謎と言えるでしょう」
まだ知られざる宇宙の仕組みがある？
こうした新たな発見は、ハッブル対立の原因が、測定の不正確さよりさらに根本的なものである可能性を示唆している。もしどちらの数値も正しいのであれば、天文学者は、宇宙がどのように成長してきたかについて、何かを見逃していることになる。
近くの超新星やケフェイド変光星から得られたデータは、宇宙マイクロ波背景放射の観測から導かれる若かった頃の宇宙の状態に基づいた予想と比べて、膨張がより加速していることを示している。これだけの加速は、研究者がダークエネルギーを用いて説明できる範囲を超えている。ダークエネルギーとは、宇宙の加速膨張を引き起こしていると考えられている理論上の存在だ。
「観測結果と最も有力な宇宙モデルの間には、明らかな齟齬があります」とフランス、パリ天文台のピエール・ケルベラ氏は言う。氏は今回の研究には関わっていない。「今や問題は観測ではなく、宇宙モデルにある可能性が高くなりつつあります。観測はかなり確かなものだからです」
考えられる説明のひとつは、「われわれが使っている重力理論、つまり一般相対性理論に問題がある」というものだとケルベラ氏は言う。宇宙マイクロ波背景放射から導かれるハッブル定数は、一般相対性理論に基づくモデルに依存していると氏は説明する。
もうひとつの可能性として、以前は予想されていなかった形のダークエネルギーが、初期宇宙に存在していたことも考えられるとリース氏は言う。あるいは、宇宙が非常に若くコンパクトだった時代から古く大きくなった時代にかけて、時間の経過とともにダークエネルギーの性質が変化したのかもしれない。
「仮説は山ほどあり、それぞれに長所と短所があります」とリース氏は言う。「現時点では、シンデレラが履いた靴のようにピタリと理屈に合うものは存在しません」
新たな測定方法も登場
科学者らは最近、ハッブル定数を測定するもうひとつ別の手法を開発した。それは重力波、つまり物体が加速するときに時空に生じる波紋を使った方法だ。
2017年、科学者らは、中性子星同士の衝突から生じる重力波を検出した。こうした波紋は理論上、地球からその衝突までの距離を特定するために利用できる。また衝突で生じる光からは、その波紋が地球に向かってくる相対的な速度が明らかになる。これらのデータを使えば、ハッブル定数を算出できる。
2017年に学術誌「Nature」に発表された、この中性子星同士の衝突から生じる重力波を用いた予備的な研究結果は、ハッブル定数が約70キロメートル毎秒毎メガパーセクであることを示唆している。ほかの2つの方法のちょうど中間に位置する数値だ。2019年に学術誌「Physical Review Letters」に掲載された論文によれば、今後5年から10年の間に検出できる50組ほどの中性子星の衝突を分析すれば、十分なデータをもとに、より確実な結果が得られるかもしれない。
一方、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡ではその間、さらに10以上の銀河にあるケフェイド変光星までの距離が測定される予定だとブレイクスリー氏は言う。これにより、地球に比較的近い宇宙での測定結果をさらにしっかりと検証できるようになるだろう。
それでも、誰かがこの宇宙のパズルの足りないピースを見つけるまでは、ハッブル対立の謎はこのまま残されることになるだろう。』
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当方が思う所は「ダークマター＝プランクスケールのＢＨが放射成分にあたる成分にホーキング放射をだし、その質量を経時変化させる＝減少させることが原因で宇宙の膨張速度が増加している」というモデルである。
従ってこのモデルでは「ダークエネルギーの存在なしで宇宙の加速膨張を説明する事が可能となる」のです。
以上のモデルについての詳細はまた後程。
＞「仮説は山ほどあり、それぞれに長所と短所があります」とリース氏は言う。「現時点では、シンデレラが履いた靴のようにピタリと理屈に合うものは存在しません」
という訳で「山ほどあるモデルの一つにもう一つ仲間を増やそう」と企んでいます。