宇宙には“物質”はあるけど“反物質”は存在しない？ この謎は重力波を観測すれば解明できるようです。

初期宇宙では、おびただしい量の粒子と反粒子が生成と消滅を繰り返していました。
粒子と反粒子は必ず同じ数だけ生み出されるので、このままでは粒子と反粒子が衝突して全て消滅し、現在の宇宙は存在しないはずです。
もし、粒子と反粒子には性質に極々僅かな違いがあり、これにより極々僅かな粒子だけが生き残ったとしたら…
今回の研究で実証しようとしているのは、重力波を観測し“右巻きニュートリノ”の存在を実証すること。
これにより、“物質”と“反物質”の偏りができたこと、この宇宙に“物質”しか存在しない謎が解明できるようです。


宇宙には“物質”だけが存在して“反物質”はほぼ全く存在していない

ビッグバンで誕生したばかりの超高温の宇宙では、エネルギーのほとんどは光（輻射）の形で存在していました。

この大量の光子から粒子と反粒子がペアで生み出され、のちに原子や星、銀河などの材料になる“物質”が作られたと考えられています。

でも、すべてが対称と仮定した場合の量子力学の法則では、1個の光子からは必ず粒子と反粒子が1個ずつ“対生成”されることになっています。
なので、初期宇宙では粒子と反粒子が完全に同じ数だけ生み出されていたはずなんですねー

その後の宇宙膨張で温度が下がり、粒子と反粒子が衝突して消滅する“対消滅”が起こると、すべての粒子と反粒子が消えてしまい、粒子が集まってできた“物質”も反粒子が集まってできた“反物質”も全く残らないことになります。

でも、現実の宇宙には“物質”だけが存在していて、“反物質”はほぼ全く存在していません。

この状況を説明する理論として、ビッグバン直後の“対生成”では粒子と反粒子は完全に同数ではなく、粒子の方が反粒子より約10億分の1だけ多く生み出され、そのおかけで“対消滅”の後に“物質”が残り、現在の天体を形作ったという説が有力です。

この“偏り”が生じたイベントのことを“バリオン数生成”と呼んでいます。

ビッグバンから現在までの宇宙の歴史を表した図。今から138億年前に宇宙はビッグバンで誕生し、約10-36秒後にインフレーションと呼ばれる過程で、極めて短い時間に指数関数的にサイズが大きくなった。インフレーションによる急激な膨張で宇宙の温度はいったん下がるが、宇宙自身が一種の相転移を起こすことで真空のエネルギーが莫大な熱エネルギーに変わり、この“再加熱”によって宇宙は再び超高温の状態になる。この超高温の宇宙を満たしていた光から物質と反物質が生まれたと考えられている。また、この時代に“宇宙ひも”と呼ばれる構造も大量に作られ、ここから放出された重力波が現在の宇宙にも到達していると考えられている。

“右巻きニュートリノ”の存在

“バリオン数生成”が起こった時代は、宇宙のインフレーションが終わった時刻（1説には、ビッグバンの10^-36秒後ごろ）よりは後で、水素やヘリウムの原子核が作られた時刻（＝ビッグバンの約1秒後）よりは前のはずです。

でも、具体的にいつ、どのようにして起こったのかは分かっていません。

また、現在広く受け入れられている素粒子物理学の“標準模型”と呼ばれるモデルでは、宇宙の“物質”の量を説明できるほどの“バリオン数生成”は起こせないことが分かっています。

そこで、“標準模型”を超える様々なモデルを使って“バリオン数生成”を説明する試みが行われているんですねー

有望な仮説の1つとして考えられているのが、“標準模型”にない“右巻きのニュートリノ”が存在するというもの。

一般に、粒子には“スピン”という値（量子数）と粒子の運動方向の組み合わせによって、“右巻き”と“左巻き”という区別“カイラリティ”が存在します。

クウォークや電子など、質量を持っている粒子には“右巻き”と“左巻き”の両方が存在しています。
でも、質量を持たない粒子は“右巻き”か“左巻き”のどちらか一方しか存在しません。

実験で観測されるニュートリノは“左巻き”のものしかなく、これはニュートリノに質量が無いことの証拠だと長年考えられてきました。
これを踏まえて、“標準模型”ではニュートリノの質量はゼロとされています。


軽いながらも質量を持つニュートリノ

ところが、1990年代になって、太陽から来るニュートリノや大気中で宇宙線によって発生する大気ニュートリノの観測から“ニュートリノ振動”と呼ばれる現象が見つかります。

そう、ニュートリノが極めて軽いながらも質量を持つことが確実になったんですねー

実は、“標準模型”に未知の“右巻きニュートリノ”を加える理論は、1980年代に日本の研究者によって提唱されていました。

この“右巻きニュートリノ”は、通常の“左巻きニュートリノ”と違って“弱い相互作用”をせず、しかも粒子と反粒子に区別がない“マヨラナ粒子”というタイプの粒子でした。

日本の研究者たちが示したのは、もし“右巻きニュートリノ”が存在すれば、これが崩壊することでレプトン（電子やニュートリノなど、軽い物質粒子の総称）と反レプトンの数にわずかな差ができ、この差が“バリオン数生成”につながること。
この仕組みは“レプトジェネシス（レプトン数生成）機構”と呼ばれます。

ただ、“レプトジェネシス”や“バリオン数生成”が起こった時代は“宇宙の晴れ上がり（＝ビッグバンの約38万年後）”よりもずっと昔のこと。
なので、光を使って直接観測することができません。
　　ビッグバンからおよそ38万年後に宇宙の温度は約3000Kまで低下し、電子と原子核が結合して原子を形成。すると、光子は電子との相互作用をせずに長距離を進めるようになる。初期宇宙は電離度が大きいため光子にとっては“霧がかった”状態にあるが、電子と原子核の結合によって電離度が減少、結果として宇宙は透明になる（晴れ上がる）。

しかも、この時代の宇宙は非常に高温で、当時の宇宙を満たしていた光子のエネルギーは人類が加速器で作り出せるエネルギーよりもはるかに高いので、実験で再現することも不可能でした。

そこで、研究者たちが着目したのは、“レプトジェネシス機構”のモデルが正しいとすると、“宇宙ひも”と呼ばれる構造がたくさん作られることでした。

“宇宙ひも”同士が交差したり自らループを作ったりして繋ぎ替えが起こると、閉じた“宇宙ひも”のループができることがある。こうした閉じた“宇宙ひも”は重力波を放出して消滅すると考えられている。

重力波の観測で謎を解明する

“宇宙ひも”は超高温の宇宙が膨張で冷えていく途中で、エネルギーの高い場所がところどころひも状に取り残されたようなものです。

“宇宙ひも”は互いにぶつかったり交差したりするとつなぎ変わり、閉じたループができることがあるんですねー
そして、閉じた“宇宙ひも”のループは重力波を放出しながら収縮して消えてしまいます。

そのため、現在の宇宙では人類が観測可能な範囲（半径138億光年の休）の中に、“宇宙ひも”はせいぜい数本しか残っておらず、私たちが目にすることは無さそうです。

ただ、可能性として考えられるのは、“レプトジェネシス機構”や“バリオン数生成”の時代に“宇宙ひも”から放出された重力波が、“宇宙マイクロ波背景放射”などと同じように“宇宙背景重力波”として、宇宙のあらゆる方向からやってきていることでした。

“レプトジェネシス機構”のシナリオが正しいとすると、“宇宙ひも”がどのように作られ、“宇宙背景重力波”はどんな特徴を持つのでしょうか？

今回の研究で導き出されたのは、“宇宙ひも”が作られる時代に応じて“宇宙背景重力波”のスペクトルの特徴が様々に変わること。
さらに、これらの多くはヨーロッパ宇宙機関で計画されている“LISA”や“BBO”、日本の“DECIGO”など、衛星軌道上に構築する宇宙重力波望遠鏡を使えば検出できる可能性が高いことでした。

もし、将来“宇宙ひも”からの重力波が実際に検出されれば、“右巻きニュートリノ”の存在によって“物質”と“反物質”の偏りができたことを実証でき、この宇宙に“物質”しか存在しない謎を解明することにつながります。

“宇宙ひも”からの重力波は、ブラックホールの合体といった天体物理学的に生じる重力波とは明らかに異なるスペクトルを持ちます。
なので、重力波源が確かに“宇宙ひも”であると確信することは十分可能なようです。

さらに、ニュートリノだけが他の素粒子と比べて極めて小さな質量を持つ理由についても、“右巻きニュートリノ”が存在すれば、“シーソー機構”と呼ばれる仕組みで自然に説明されるので、“標準模型”を超える素粒子物理学の検証にも大きく貢献すると期待されています。


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遠くを探さなくても近くにあった！ 天の川銀河を公転する宇宙最古の銀河

天の川銀河には30個ほどの小さな銀河が付随しています。
この銀河は“衛星銀河”といい、天の川銀河の周りを公転しているんですねー

今回明らかになったのは、その“衛星銀河”が生まれた時期でした。
なんと一部の“衛星銀河”は、宇宙がわずか1億歳だったころに形成されたそうです。

このことが本当なら、私たちの天の川銀河の周囲に宇宙最古の銀河が存在することになりますね。


宇宙の暗黒時代に作られた銀河

ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの研究チームにより、天の川銀河の周囲を公転する小さい衛星銀河のうちいくつかは、宇宙の歴史の中で最も初期のころに形成された、宇宙最古の銀河であることが分かってきました。

研究チームは以前の研究から銀河形成をモデル化。
すると、“宇宙の再電離”と呼ばれる物理過程の影響が、矮小銀河の“光度関数”に現れることに気付きます。
　　“光度関数”は、どの明るさの銀河がどれだけの頻度で存在するかを表す関数。

　　初検出！　宇宙最初の星が残した痕跡
　　　　

そして明らかになったのが、この光度関数の形が、谷で区切られた非常に暗い矮小銀河の山と、明るい矮小銀河の山のようになることでした。

コンピュータ・シミュレーションで再現された衛星銀河の分布。 青い円内は明るめの銀河、白い円内は超低光度の銀河。

このモデルの予測と、天の川銀河などの衛星銀河の観測から得られた光度関数とは、よく一致していたんですねー

この理論通りに矮小銀河の形成が起こったとすると、非常に暗い矮小銀河は“宇宙の暗黒時代”の終わりごろ、宇宙誕生から1億年後くらいにあたる時期に作られたと考えられ、それよりは明るい矮小銀河はさらに数億年後の時期に作られたものと考えられます。

　　生まれたばかりの宇宙は、
　　電子や陽子、ニュートリノが密集して飛び交う高温のスープのような場所で、
　　電離した状態にありました。
　　でも、宇宙が膨張し冷えるにしたがって、
　　電子と陽子は結びつき電気的に中性な水素が作られます。
　　この時代には、光を放つ天体はまだ生まれていなかったので“宇宙の暗黒時代”と呼ばれています。
　　その後、宇宙で初めて生まれた星や銀河が放つ紫外線により、水素が再び電離されることに…
　　この現象を“宇宙の再電離”といいます。
　　宇宙に広がっていた中性水素の“霧”が電離されて晴れたことにより、
　　空間を通り抜けられるようになった“宇宙最初の光”が、
　　現在の空に広がる“宇宙マイクロ波背景放射”として観測されています。

天の川銀河の衛星銀河だと、“Segue-1”、“うしかい座矮小銀河”、“きょしちょう座矮小銀河II”、“おおぐま座矮小銀河”といった矮小銀河が非常に暗いので、先の年代に作られたことになります。

つまり、天の川銀河のすぐそばに、宇宙の歴史の中で最初期に作られた矮小銀河が存在しているということになるんですねー

っと言うことは、天の川銀河の周りに存在する最小クラスの矮小銀河を観測すれば、初期宇宙の理解に役立つことになりますね。


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ビッグバン理論に残された問題解決せず… さらに謎が深まった“宇宙リチウム問題”

ビッグバン元素合成

量子力学的な粒子が衝突し、
反応を起こす確率を表す量のことを断面積といいます。

ビッグバン理論によると、
宇宙の始まり10秒後から20分後にかけて“ビッグバン元素合成”が起こり、
水素、ヘリウム、リチウムなどの軽い元素が生成されます。

このうち、水素とヘリウムの同位体については、
生成量の観測推定値と理論予測値が良く一致。

その一方でリチウム同位体の1つになるリチウム7（7Li）については、
生成量の観測推定値が理論予測値の約3分の1しかないという、
不一致が知られています。

このことは“宇宙リチウム問題”と呼ばれ、
ビッグバン理論に残された深刻な問題として注目されているんですねー


リチウム7が少ない理由

7Liはベリリウム7（7Be）が崩壊して生成されたと考えられています。

なので、（a）7Beの生成量そのものを小さくしたり、
（b）7Beから7Li以外へ変わる反応を大きくしたりして、
7Liの少ない生成量を説明する試みが行われてきました。

（b）については、
ベリリウム7と中性子から2個のヘリウム4ができる反応“7Be+n→4He+4He”が、
高い確率で起こるという仮説が考えられています。

でも、7Beと中性子が短寿命の不安定核なので、
その確率の測定は簡単なことではありませんでした。


逆反応の利用

そこで研究グループが思いついたのは、
“7Be+n→4He+4He”の逆反応になる“4He+4He→7Be+n”を測定に用いること。

“4He+4He→7Be+n”反応の断面積を測定するという手法で、
“7Be+n→4He+4He”反応の断面積を決定しようということです。

加速した4He2+ビームをHeガス標的に照射し、
放出された中性子を測定することにより、
7Beの基底状態と第一励起状態が生成されたことを確認し、
その生成断面積を決定しています。

　　量子力学的な安定状態のうち、エネルギーが最低の状態を基底状態、
　　これ以上のエネルギーをもつ状態を励起状態という。

この結果から、
“詳細釣り合いの原理”という原子核反応の時間反転不変性から導かれる性質を用いて、
7Be+n→4He+4He反応の断面積を決定することに成功したんですねー

7Be+n→4He+4He反応と、 今回測定された逆反応のイメージ図。

有力な解決策の否定

同反応の断面積は、
これまで“ビッグバン元素合成”の理論計算に広く用いられていた測定値より、
約10倍も小さい値でした。

そして、この値から明らかになったのが、
宇宙初期において中性子が7Beに衝突して2つの4Heに分解する反応の寄与は、
非常に小さいこと。

これにより、7Be+n→4He+4He反応が高い確率で起こっているという仮説では、
“宇宙リチウム問題”の説明が難しいことが分かってきます。

そう、“ビッグバン元素合成”の謎は、
さらに深まることになったんですねー

今回の研究結果により、
“宇宙リチウム問題”の有力な解決策が否定されてしまいました。

でも、これにより原子核反応率の見直しや、
標準ビッグバン模型を越える新しい物理の探索など、
“宇宙リチウム問題”へのさらなる研究が進むといいですね。


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宇宙で最も遠くにある銀河を発見！

ハワイのケックⅠ望遠鏡が、
宇宙で最も遠くにある銀河を発見しました。

ケックⅠ望遠鏡は、
この最遠の銀河“EGS-zs8-1”を131億年前に出て、
はるばる地球まで旅してきた光をとらえたことになるんですねー

画像では青い染みのようにしか見えないけど、 “EGS-zs8-1”銀河は、地球から約131億光年の彼方にあって、 ビッグバンから7億年以内に作られている。

ビッグバン後の宇宙史を解き明かすカギ

今回とらえた光は、ビッグバンから7億年も経たない時代に、
誕生から約1億年しか経っていない“EGS-zs8-1”銀河の星から発せられたもの。

ちなみに、私たちの銀河系は、誕生から132億年経過しています。

私たちを取り巻く世界を構成する全ての元素は、
初期宇宙の銀河の中で、作り出されたと考えられています。

なので今回の発見は、ビッグバン後の宇宙の暗黒時代から、
最初の星々が形成された過程を、解き明かすのに役立つかもしれません。

これほど古い時代まで、遡ることができたのは驚異的なことになります。


古い銀河の見つけ方

実は、ビッグバンから、
わずか3億8000万年後に形成されたと思われる銀河を含め、
“EGS-zs8-1”より古い可能性のある銀河は見つかっていたりします。

ただ、この数字は、
銀河の色の大雑把な測定から推測したものに過ぎません。

銀河の色は、地球からの距離（つまり古さ）を知るための、
重要な手がかりになります。

膨張する宇宙の中では、
遠方の銀河ほど高速で遠ざかっていきます。

なので、光のドップラー効果（赤方偏移）により、
高速で遠ざかる銀河ほど赤みがかって見えることになります。

ハッブル宇宙望遠鏡と、
赤外線天文衛星“スピッツァー”の両方を使った今回の発見は、
さらにケックⅠ望遠鏡を使って距離を厳密に測定。

巨大なケックⅠ望遠鏡の集光力は、
どの宇宙望遠鏡と比較しても格段に高いんですねー

4時間の露光により“EGS-zs8-1”のスペクトルを撮り、
高い精度で距離を測定しています。

このときの“EGS-zs8-1”は、
今日の銀河系の80倍の速さで星々を生み出していて、
異常に明るかったそうです。

この条件が無かったら、
ケックⅠ望遠鏡の強力な近赤外線撮像分光器“MOSFIRE”をもってしても、
距離を測定することは出来なかったそうですよ。


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最古の銀河で宇宙チリを初観測、初期の星形成探る手掛かりになるかも…

観測史上最古の銀河の1つを観測した結果、
宇宙初期に、宇宙チリが決定的な役割を果たしていたことが判明したそうです。

ハッブル宇宙望遠鏡で観測した銀河団“Abel 1689”。 四角で囲われた部分に、銀河“A1689-zD1”がある。

宇宙チリ粒子は、
宇宙を構成する極小の要素になります。

炭素、ケイ素、マグネシウム、鉄、酸素などでできたチリ粒子は、恒星の核燃焼で作られ、星が燃え尽きて爆発すると、
チリ粒子は宇宙空間に噴出されます。

そして長い年月の間に、
チリとガスでできた雲が合体して、
新たな星系が作られるんですねー


これまでの理論では、
誕生間もない宇宙には、この役割を担うチリ粒子が存在しないので、
初期銀河はガスで作られていたと考えられていました。

でも、今回の研究では、
チリ粒子がこれまで考えられていたより、はるかに早い時期から、
形成過程に寄与していたことが分かってきます。

研究チームは、“A1689-zD1”と呼ばれる銀河を観測するため、
南米チリのアタカマ砂漠に設置された巨大望遠鏡を使用。

この銀河から届いている光は、
時間と距離の測定基準となる“赤方偏移”では、
光源の銀河が約131億年前…

つまり、宇宙がビッグバンで誕生してから約7億年後に、
この銀河作られたことを意味していました。

また、この光にみられる特長は、
“A1689-zD1”が古い銀河であるにもかかわらず、
天の川銀河などの、はるか後に形成された銀河のチリ粒子に似た、
複雑なチリ粒子を豊富に含むことも分かることになります。

観測史上最も遠方にある銀河の1つで、宇宙チリが発見されたのは今回が初めて。
銀河のサイズは、そう大きくないのですが、すでにチリが大量に存在していました。

これは驚くべきことで、
これら銀河には、予想よりはるかに早い時期から、
重元素が豊富にあったことになります。


“A1689-zD1”の赤方偏移は7になり、
これまでに発見された最古の銀河チリの赤方偏移は3.2で、
これは約125億年前に相当します。

今回の観測結果は、ビッグバンから約5億6000万年経過するまでに、
銀河“A1689-zD1”が、星形成を継続的に行ってきたことを意味しています。

大半の星の寿命が、数十億年であることを考えると、
この5億6000万年とう期間は、宇宙の時間枠としてはひじょうに短いんですねー