動的なダークエネルギーと宇宙論を壊した一週間

Katherine Mack著2025年、DESIはダークエネルギーが進化していると示唆して騒ぎを起こした。Perimeterの宇宙論・科学コミュニケーション担当ホーキングチェア、ケイティ・マックが、騒動、歴史、そして次に何が起こるかを解説する。2026年8月20日Katie Mack、Perimeter Instituteの宇宙論・科学コミュニケーション担当ホーキングチェア。セミナーの告知は「宇宙論を壊した一週間」と銘打たれていた。2025年3月、ダークエネルギー分光観測装置（DESI）からの論文が、宇宙の理解における根本的な変化を示唆する魅力的な証拠を提示し、宇宙論の世界を揺るがした。1990年代後半以来、宇宙論者は、宇宙が拡大しているだけでなく、加速していることを知っている。膨張の発見は1920年代に遡り、天文学者は遠方の銀河がより速く私たちから遠ざかっているように見えることを発見した。これは、宇宙がどこでも均一に大きくなっているとすれば期待されるまさにその振る舞いである。当時の仮説は、ビッグバンが膨張を引き起こし、今では重力がその膨張を遅らせるはずだというものだった。1998年に2つの観測グループが、実際には膨張が加速していることを示したとき、それは宇宙の理解における一種の革命を引き起こした。通常の物質とエネルギーだけでなく、重力によって膨張を遅らせるものだけを含む宇宙ではなく、宇宙を積極的に引き伸ばしている追加の成分が存在しなければならない。その新しい特徴に与えられた名前はダークエネルギーであり、完全に予期せぬものであったにもかかわらず、天文学者はそれが何であるかについてかなり良い仮説を持っていた。それはアルバート・アインシュタインにまで遡ることができる。天文学者が他の銀河が存在することを知るのに十分な観測ができるようになる前は、宇宙は永遠で不変でなければならないように見えた。しかし、それは問題をもたらした。なぜ重力がすべてを一つの大きな塊に引き寄せなかったのだろうか？アインシュタインは、物質と空間（およびその逆）に対する重力の影響を記述する一般相対性理論の方程式を解きながら、星々を引き離しているものを説明するための新しい項を提案した。彼は、重力の内向きの引力を打ち消すために、宇宙定数と名付けた新しい項を追加した。この項は、時空の固有の性質を記述しており、わずかな引き伸ばしの傾向を与え、物質の塊の間の空間がそれらの重力的な引力に抵抗できるようにした。1920年代の観測者が、宇宙が静止しているのではなく、実際には拡大していることを発見したとき、アインシュタインは、その項は不要であると認識した。宇宙はビッグバンから拡大し続けているため、自己崩壊していなかった。彼はその項を間違いとして捨てた。1998年の加速の発見に再び目を向けると、宇宙定数は、謎のダークエネルギーの明白な候補として広く受け入れられた。すべての観測は、宇宙の過去の比較的最近の時点で膨張が加速し始めたという考えと一致しているように見えた。なぜなら、その時点で物質は十分に拡散し、宇宙定数が重力の綱引きに勝ち始めたからである。宇宙が大きくなるにつれて物質の全体的な密度が減少するにつれて、宇宙定数はすべての空間の特徴であり続けたため、その密度は同じままだった。それは、空間を引き伸ばし続けることができた一方で、物質の重力はますます重要でなくなったことを意味した。今では、銀河が互いに落ちるのを防ぐだけでなく、膨張速度を積極的に速めていた。ほぼ30年間、宇宙論者はあらゆる角度からこの仮説を検証してきた。ダークエネルギーが宇宙定数であるならば、それは時間とともに強くなったり弱くなったりするはずがない。宇宙の進化に対するその影響は、フリードマン方程式を通じて、宇宙が拡大するにつれて物質とエネルギーの全体的な密度によって完全に決定されるはずである。データの直面において、宇宙定数仮説は非常にうまく機能したため、宇宙論のコンセンサスモデル、一般にΛCDMと呼ばれるものの礎となった。ここで、Λはアインシュタインの方程式で宇宙定数をラベル付けするために使用されるギリシャ文字（ラムダ）であり、CDMは冷たい暗黒物質（ダークマター）を意味する。これは、宇宙の銀河や大規模構造が構築される足場を形成する、目に見えない物質である。しかし近年、ΛCDMと新しい宇宙論データとの間の明らかな不一致は無視できなくなっている。まずハッブルテンションがあった。宇宙の現在の膨張率、すなわちH0と呼ばれるパラメータの異なる測定値が、誰もまだ満足のいく説明を見つけられていない理由で、異なる結果をもたらしている。宇宙のビッグバンの最終段階からの背景光である宇宙マイクロ波背景（CMB）からのデータと、私たちの宇宙論方程式を組み合わせることで、近くの宇宙の超新星の調査からのデータを見るよりも高い現在の膨張率を推測できる。この不一致をどのように解決するかについてはまだ結論が出ていないが、もしそれが未知のデータバイアスの種類によるものでなければ、ΛCDM自体の堅牢性に対する大きな課題である。次に、ニュートリノ質量問題がある。恒星の核融合やその他の高エネルギーの天体物理学的プロセスで生成される幽霊のようなニュートリノは、宇宙の総物質量にわずかな量しか寄与しないが、銀河の構造と分布に測定可能な影響を与える。しかし、銀河のサーベイがこれらの効果を測定するのに十分な感度を持つようになった途端、私たちは完全に非現実的に見える結果を得始めた。データ解析にニュートリノを含めると、本来とは逆の効果があるように見え、宇宙論者はその結果を「負のニュートリノ質量」と呼ぶようになった。明確にしておくと、私の知る限り、誰もニュートリノの質量が負であるとは実際には考えていない。代わりに、この略語は、分析が何らかの理由でうまくいっていないことを示している。おそらく、ニュートリノの振る舞いの悪さを模倣する新しい物理学がデータに隠されているのかもしれない。一つの原因はダークエネルギーの変化である。これらすべてが、2025年の爆発的なDESIの結果につながる。DESIチームは、その2回目のデータリリース（DR2）の結果で、分析が宇宙定数とは一致しないバージョンのダークエネルギーを強く支持していることを示した。代わりに、データへの最良の適合は、動的なダークエネルギーの一種、すなわち宇宙の加速の原因となり得るが、時間とともにその力が弱まっているように見えるものであった。この結果は発見のゴールドスタンダード（私たちが5シグマと呼ぶ証拠の閾値）にはわずかに届かなかったが、ΛCDMとの不一致は宇宙論コミュニティ全体に衝撃を与えるには十分だった。DESIは、世界中の天文学者によって運営され、主に米国エネルギー省科学局によって資金提供されている国際プロジェクトである。望遠鏡自体は米国にあるが、カナダの関与は強い。Perimeter Instituteの準教授であるWill Percivalは、DESIの共同スポークスパーソンであり、ウォータールー大学ウォータールー天体物理学センターの研究グループを率いてDESIの結果の科学的分析を行っている。また、Perimeterでは、計算科学者のDustin LangがDESIチームと協力してサーベイ運用とデータ解析を行っている。この装置がどのように機能するかというと、その主な仕事は、私たちの（かなり大きな）宇宙の一角にある数千万個の銀河の3次元マップを作成することである。これは、数千万個の銀河のスペクトルを取得し、そのスペクトル光に埋め込まれた手がかりを使用して、銀河が宇宙空間のどこにあり、私たちに対してどのように動いているかを正確に判断することによって行われる。この最後の部分は重要である。宇宙が拡大するにつれて、遠方の天体からの光は、宇宙論的赤方偏移と呼ばれるプロセスで引き伸ばされる。（DESIの光学光の場合、