科学者たちは1世紀以上もの間、宇宙がビッグバン以来拡大していることを知っていました。ビッグバンは、約数十億年前にすべてを始めた原始的な出来事です。
しかし、これまでのところ、彼らはトリッキーな問題を解決することができていません。それはどれくらい速く拡大していますか？これは、宇宙マイクロ波背景放射（科学用語ではCMB）として知られるビッグバンから残された放射線に基づく推定速度と、超新星の観測に基づく大幅に速いペースとの間に不一致があるためです。宇宙の膨張率はハッブル定数として知られているので、その視差は「ハッブル張力」と呼ばれます。
科学者たちは、宇宙の継続的な拡大はダークエネルギーと呼ばれる力によって推進されていると信じています。ダークエネルギーはビッグバンから70億年または80億年後に宇宙の減速を逆転させ始めたようです。
ダークエネルギーとは何ですか？
「ダークエネルギーは宇宙の今日のエネルギーの仮想的な源である宇宙の最善の理解によると宇宙の全エネルギーの約70％を占め、ことを、」説明グレンStarkman、著名な大学教授との共同議長は、ケースウエスタンリザーブ大学の物理学部。
「その存在の主な証拠は、過去数十億年の間続いているように見える宇宙の加速膨張です」とスタークマンは言います。 「そのような膨張を推進するには、宇宙が膨張してもそれ以上希釈されない（またはほとんど希釈されない）エネルギー源が必要です。これにより、ほとんどのエネルギー源が失格になります。たとえば、通常の物質や暗黒物質など、どちらも少なくなります。宇宙が大きくなるにつれて密度が高くなります。暗黒エネルギーの最も単純なモデルは、それが空の空間に関連する不変のエネルギー密度であるということです。したがって、空間が拡大しても、暗黒エネルギーの密度は一定に保たれます。」
しかし、ダークエネルギーがずっと存在しなかった理由など、ダークエネルギーについて説明できないことがたくさんあります。そして、標準模型に暗黒エネルギーを含めても、宇宙膨張の2つの測定値の間の不一致は解決されません。
そして初期のダークエネルギー？
しかし、2013年から2016年の間にAtacama Cosmology Telescope（ACT）によって収集されたデータに基づいた、まだ公開されていない2つの新しい研究は、問題の可能な解決策を示すのに役立つ可能性があります。研究者たちは、ビッグバン後の最初の30万年に存在した一種の「初期の」ダークエネルギーの痕跡を発見したと信じています。この最近の記事による自然の中でダビデCastelvecchi最初の2本の論文を公表し、1 ACTチームによる及びその他の付属独立したグループによってビビアン・ポウリン、フランスのモンペリエ大学の天体物理学者、および同僚Tristian L.スミスとアレクサバートレットをスワースモア大学の。
初期のダークエネルギーのアイデアは、最初は数年前にポーリンによって提案され、その後、ジョンズホプキンス大学のポスドクであるスミスと同僚が問題を解決する方法として提案しました。
「初期の暗黒エネルギーは、別の形の暗黒エネルギーの提案です。つまり、今日の加速膨張を引き起こす暗黒エネルギーとは明らかに関連していません」とスタークマンは説明します。EDEは、「宇宙が現在よりも約10,000倍小さく、高温であったとき、はるか昔に宇宙で重要な役割を果たしていたでしょう。」それは「宇宙の膨張率の歴史についてのある不思議な不一致を解決するために考案された」という概念だと彼は言います。
Natureの記事で説明されているように、初期のダークエネルギーは、数十億年後に宇宙の加速膨張を引き起こすほど強力ではなかったでしょう。代わりに、ビッグバンの直後に形成された素粒子またはプラズマの混合物をより急速に冷却させることによって、間接的に影響を与えたでしょう。その結果、宇宙マイクロ波背景放射の測定方法、特にプラズマがガスに冷却される前に音波がプラズマ内を移動できる距離に基づいた宇宙の年齢と膨張率の測定に影響を与え、結果としてより高速になります。天文学者が天体に基づいて計算するものに近い膨張率。
初期のダークエネルギーはトリッキーな理論的解決策ですが、ジョンズホプキンス大学の理論物理学者であるマークカミオンコウスキー（2018年の初期ダークエネルギー論文の著者の1人）がネイチャーに説明したように、「それは私たちが働くことができる唯一のモデルです」。
結論は明確ではありません
2つの研究は、初期のダークエネルギーの主張を裏付けるのに役立つかもしれませんが、関係する研究者の1人は、まだ完全には確信しておらず、明確な結論を出すにはさらに作業が必要であると警告しています。
「私は、宇宙の銀河と物質の大規模分布（「大規模構造」、またはLSS）の高精度測定を一致させる際に直面する問題のために、初期の暗黒エネルギーモデルに懐疑的でした」とコロンビア大学ACTチームの研究の共著者である物理学の助教授J.Colin Hillは、電子メールでメモしています。 （ヒルの概念への疑問は、彼が2020年に共同執筆したこの論文、および後の論文にも反映されており、同様の複雑さを引き起こす他の研究者による別の論文にも言及しています。）
「上記の3つの論文からのポイントは、CMBデータとRiessらのH0データに適合する初期の暗黒エネルギーモデルが、これらの調査のデータと一致しないLSSの予測をもたらすことです」とHillは書いています。 Eメール。 「したがって、別の理論モデルがおそらく必要であるか、または初期の暗黒エネルギーシナリオの少なくともいくつかの修正が必要であると結論付けました。」
HillとACTの同僚が投稿したばかりの新しい調査では、分析でLSSデータを考慮せず、代わりにCMBデータのみに焦点を当てました。 「目標は、PlanckとACT CMBのデータが初期の暗黒エネルギーの状況で一貫した結果をもたらすかどうかを確認することでした。結果が多少異なることがわかりました。これは、私たちが理解しようと懸命に取り組んでいる大きなパズルです。視点から見ると、初期の暗黒エネルギーシナリオのLSS問題は未解決のままです。」
「さらに、プランクのデータ自体（宇宙論で最も正確なデータセットのままです）は、初期の暗黒エネルギーの好みを示していません」とヒルは説明します。「したがって、初期のダークエネルギーのACTデータで見たヒントにもかかわらず、このモデルが本当に最終的なストーリーになるかどうかについては引き続き慎重です。調べるには、さらに多くのデータが必要になります。」
もしそれが存在していたら、初期の暗黒エネルギーは、宇宙の現在の膨張率を推進していると信じられている力に似ていただろう。しかし、それでも理論モデルを大幅に再考する必要があります。
「主な違いは、この初期のダークエネルギーは、宇宙の歴史の中で短期間だけ役割を果たす必要があり、その後、「消滅」する必要があるということです」とヒル氏は言います。 「これを達成するために、再結合の前に宇宙の膨張を一時的に加速するように作用するが、その後急速に消えて無関係になる新しいフィールド（技術的にはアクシオンのようなフィールド）の素粒子物理学モデルを構築します。」
「対照的に、標準的な暗黒エネルギーの現在の主要な状況は、それが単に宇宙定数であり、おそらく真空エネルギーによって供給されているということです」とヒルは続けます。 「この形のエネルギーは時間とともに変化しません。しかし、標準的なダークエネルギーは、私たちがまだ理解していないいくつかの新しい基本的な分野に起因する可能性があります。この場合、それは時間とともに進化している可能性があります。したがって、上記の初期の暗黒エネルギーモデルとある程度類似している可能性があります。」
「繰り返しになりますが、これらの質問をより正確に調査し、うまくいけば今後10年間で答えを見つけるために、より多くのデータが必要になります」とヒル氏は言います。「幸いなことに、多くの強力な実験が間もなくオンラインになります。」彼は、CMBを研究するサイモンズ天文台や、LSSに関する新しい情報を収集するルービン天文台やユークリッドおよびローマの宇宙望遠鏡などの施設について言及しています。「私たちが見つけたものを見るのは非常にエキサイティングなはずです」と彼は言います。
これは、ヒルが初期のダークエネルギーについて説明しているYouTubeビデオです。
スタークマンは、証拠が明確で説得力のあるものでない限り、そのような「異常な」主張に注意することが重要であると言います。彼が指摘するように、EDEに対する証拠もあります。 「現在の結果は、宇宙マイクロ波背景放射の観測に関する2つの実験データセット間の緊張が高まっていることを示しています—欧州宇宙機関のプランク衛星からこれは過去10年間の初めに、そして現在のアタカマ宇宙論望遠鏡から飛んだ。前者は初期のダークエネルギーの考えを支持していないようですが、後者は現在支持しています。実験間のそのような緊張は一般的でイライラします。ACTからのより多くのデータが問題を解決すると言いたくなりますが、完成したPlanckデータをより多くのACTデータで圧倒するだけでは、PlanckデータがEDEを支持しない理由を説明できません。緊張は、何らかの形で明確な事例を提供するために、これらの実験の1つの修正された理解を必要とする可能性が高いようです。」
宇宙膨張の測定に取り組んでいるシカゴ大学の天文学と天体物理学の教授であるウェンディ・フリードマンは、さまざまな代替モデルを追求することが重要であると考えています。
ラムダコールドダークマター（LCDM）モデル
「現在、宇宙論の標準モデル、いわゆるラムダコールドダークマター（LCDM）モデルがあります」と、この記事の著者であるフリードマンは、2021年9月17日にアストロフィジカルジャーナルのハッブル定数について説明しています。 Eメール。 「そのモデルでは、全体の物質+エネルギー密度の約1/3は物質（そのほとんどは暗黒物質）によるものであり、2/3は暗黒エネルギーの成分によるものです。」
「しかし、現時点では、暗黒物質と暗黒エネルギーのどちらの性質もわかりません」とフリードマンは続けます。「しかし、LCDMは、非常に幅広いさまざまな実験や観測に非常によく適合します。私たちの知識を考えると、標準モデルをさらにテストすることが明らかに重要です。CMBから推測されるハッブル定数の値の間の現在の明らかな不一致測定といくつかの局所測定は、新しい物理学の合図となる可能性があります。これが、ラムダCDM以外の他のモデルを調査することが重要であると私が言う理由です。」
しかし、フリードマンは重要な警告を追加します。「あるいは、明らかな不一致の原因となる、まだ知られていない系統的エラーがあるかもしれません。したがって、現在のハッブル定数測定の不確実性を減らすことも重要です。」
今それは興味深いです
初期のダークエネルギーが存在していたことが判明した場合、それを宇宙の年齢の推定値に計算すると、宇宙は現在の推定値である138億年よりも14億年若いことになります。
