銀河団 Abell 520 中心部のダークマター(青)、銀河、高温ガス(緑)の分布を示した合成イメージ。ダークエネルギーは本当に存在するのだろうか。 Credit:


(小谷太郎:大学教員・サイエンスライター)

 2020年1月5日(ハワイ時間)、ホノルルで開かれていたアメリカ天文学会で、韓国・延世大学校のYijung Kang博士、Young-Wook Lee(李榮旭)教授らのグループが、超新星の明るさの推定を見直す研究結果を発表しました*1。(李教授の漢字表記は御本人に教えていただきました。) また、論文がアストロフィジカル・ジャーナルに掲載されました*2。

 超新星の明るさは、ダークエネルギーなる奇妙な存在の見積りに用いられます。この発表が正しければ、宇宙の69%を占めるというダークエネルギーの根拠が揺らぐ可能性があります。宇宙物理学業界ダークエネルギー界隈(かいわい)に驚きが広がりました。

 ダークエネルギーとはいったい何者でしょうか。超新星の明るさがどうしてダークエネルギーと関係するのでしょうか。それがあったりなかったりすると、どんな違いがあるのでしょうか。解説しましょう。

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宇宙って実は膨張中?!

 この宇宙は膨張していて、この瞬間もどんどん広がっています。このことは、今から100年近く前の1929年にエドウィン・ハッブル(1889-1953)が見つけました。ハッブルは、よその銀河が遠ざかっているのを観測して、「宇宙って実は膨張中?」と気づいたのです。

 ハッブルの測定は、当時の世界最大の望遠鏡を用いたものですが、今から見るとかなり誤差があり、現在の測定値と7倍ほども違っていました。宇宙膨張は、よくいえば大胆、悪くいえば乱暴な研究発表によって報告されたのです。

 今では常識ですが、宇宙膨張は、宇宙が過去には小さくて高密度だったことを示しているわけで、つまりビッグバンの証拠です。しかし発表当時、ただちに研究者の大勢(たいせい)が、宇宙膨張とビッグバン宇宙論を支持したわけではありません。

「宇宙が膨張してるってことは、宇宙はむかし小さかったんだ」と、世の中が納得するには、ハッブルの発見から20年以上かかりました。宇宙の真理が受け入れられるまでには、時には長い時間がかかります。

アインシュタイン最大のポカ

 宇宙の形状や膨張や収縮やこれまでの姿やこれからを議論する学問分野を宇宙論といいます。

 少々話がさかのぼりますが、最初の宇宙論研究者はアルベルト・アインシュタイン(1879-1955)です。

 アインシュタインは、できたてホヤホヤの一般相対性理論(相対論)が宇宙全体を記述できる物理学理論だと気づいていて、早速宇宙論の計算に取り掛かりました。アインシュタインが相対論を考えつく前は、宇宙全体を取り扱う物理学理論など存在せず、どう計算すればいいのか分かりませんでした。

 そしてアインシュタインは自分の計算結果に狼狽(ろうばい)しました。一般相対論の方程式から導かれる、宇宙を表わす解は、どこまでも膨張するものだったり、逆にすぐ潰れてしまったり、どれもこれもろくな解じゃないのです。

 この宇宙は未来永劫過去悠久、変わらない姿で存在すると信じていたアインシュタインは、そういうまともな解が見つからないので、苦し紛れに相対論の方程式に定数項を付け加えて発表します。「宇宙項」と呼ばれる定数を加えた方程式は、定常解を持つのです。つまり、未来も過去も変わらない定常宇宙が相対論から導かれるのです。

 こうして世界最初の宇宙論の論文が発表されました。1917年のことです。

 けれども、アインシュタインと違って定常宇宙に対する信仰なんか持ってない他の研究者は、大はしゃぎで相対論の方程式に取り組んで、膨張したり潰れたりする宇宙解を次から次へと見つけては提案したので、アインシュタインは「あいつら物理を分かってない」と不快を隠せませんでした。

 やがて宇宙膨張の事実が明らかになり、この宇宙にあてはまる現実的な解が膨張解であることが確かになりました。そうなるともう宇宙項は必要なくなります。アインシュタインは宇宙項を加えたことを「人生最大のポカ」と言ったと伝えられます*3。(ただし伝えているのは話のうまい愉快なジョージ・ガモフ(1904-1968)なので、このエピソードは真偽を疑う人もいます。)

宇宙はもっと膨張中?!

 ハッブルの測定した宇宙膨張の「速さ」、つまり「何億光年離れた天体が何km/sで遠ざかっているか」という関係は、宇宙物理学において超重要です。これが精確に分かると、宇宙がどれほど昔に誕生したか、現在どれほどの大きさか、物質やダークマターやダークエネルギーがどれほど存在するか、といったことが分かります。

 ハッブル以降100年近く、この測定精度を高める工夫と努力がずっと続けられています。

 宇宙膨張の速さは、

(1)遠くの何らかの天体の距離を何らかの方法で測定する
(2)その天体の遠ざかる速さをドップラー効果で測定する

という原理で測ります。

 これに最もよく使われている天体は、「Ia(いちえー)型超新星爆発」です。これは何億光年も離れていても見えるほど明るく、しかもその明るさが計算できる(と思われている)現象です。これを夜空に見つけて、その見かけの明るさを計算と比較すれば、距離が測定できます。

 何年も前から、自動望遠鏡が夜空を監視して超新星をサーチするシステムがいくつも働いています。現在、超新星の報告のほとんどはそういう自動観測によります。

 そうしてIa型超新星をたくさん観測して、宇宙膨張の速さを精密に測定したところ、過去よりも現在の方が膨張が速いという驚きの結果が得られました。宇宙膨張は加速しているというのです。

復活の宇宙項

 相対論の方程式はさまざまな解を持ちますが、そのほとんどは、この宇宙にあてはまらない非現実的な解です。宇宙論の目標のひとつは、さまざまな解の中からこの宇宙を表わす解を探すことです。

 宇宙膨張が加速しているとなると、現実的な解は加速膨張する解(のうちのひとつ)でしょう。

 そして加速膨張する解は、方程式に宇宙項を入れた場合に得られるのです。正しい方程式は宇宙項を入れた方程式ということになります。

 かつては不要とされ、生みの親のアインシュタインに「ポカ」と言われた(とガモフに言われた)宇宙項が、まさかの復活です。

(定常解を得るために加えられた宇宙項が、今度は加速膨張解を得るために必要なのは、つじつまが合わないように思えるかもしれませんが、宇宙項の値を調整すると、解の膨張を止めたり加速したりできるのです。)

ダークエネルギー登場(♪帝国のマーチ)

 宇宙項は、この宇宙空間を満たすエネルギーと解釈されます。加速膨張の発見は、正体不明のエネルギーが宇宙空間を満たしていることを意味するのです。

 そんなエネルギーはこれまで観測されたことがなく、誰も存在を知りませんでした。どんな観測装置でも見えないので、「ダークエネルギー」と呼ばれることになりました。

(ただし「ダークエネルギー」は日本だけの発音で、英語に近いカタカナなら「ダークエナジー」、ドイツ語に近いカタカナなら「デュンクレエネルギー」です。)

 ダークエネルギーの総量はこの宇宙の存在の69%を占めると見積られます。(あとのほとんどは、ダークマターという、これまた正体不明の物質です。人類が知っている通常物質は、宇宙の存在の5%程度と見られています。)

 これが判明したのは、20世紀の終わりごろのことです。突如として、宇宙はわけの分からない大量のエネルギーに満たされました。ハッブルの発見以来のびっくりです。

 ノーベル賞選考委員会もびっくりしたようで、2011年のノーベル物理学賞は、「遠方の超新星の観測による宇宙の加速膨張の発見」に対して与えられました。「超新星宇宙論プロジェクト」というグループのサウル・パールムッター教授と、「高赤方偏移超新星探索チーム」のアダム・G・リース教授とブライアン・シュミット教授が共同受賞しました。

(ハッブルの発見からビッグバン宇宙論が受け入れられるまで20年以上かかったこと、結局ハッブルはノーベル賞を受賞しなかったことを考えると、ダークエネルギーはずいぶん厚待遇です。)

発見以来20年間、謎のままのダークエネルギー

 ダークエネルギーの発見以来20年間ほど、研究者はその正体をあれこれ考えてきましたが、どうもしっくりする答えは見つかっていません。

 これほど考えても正体が分からないので、「やっぱり宇宙膨張、加速してないんじゃね?」という、潔(いさぎよ)すぎて元も子もないような解決策も、複数の研究者によって検討されています。

 例えば、Ia型超新星爆発の明るさが昔と今で実は違うという解決策です。

 Ia型超新星を用いる距離の測定は、それがもしも暗く見えたら遠く、うんと暗く見えたらうんと遠くにあるという原理で行ないます。これは、どのIa型超新星も(ある種の補正をした後では)明るさが同じという仮定に基づいています。

 しかしうんと遠くに見えるIa型超新星は、うんと昔に爆発したものです。何十億年も昔にさかのぼると、例えば銀河内物質の元素組成が違ってきます。超新星爆発を起こす星の元素組成が違うと、明るさが違ってくるとしたらどうでしょうか。宇宙膨張が加速しているという主張の根拠が怪しくなります。

ようやく今回の発表の話に

 さて、ようやく今回の発表の話になりました。宇宙論は人々が真実に至るまでの過程が面白いので、ついつい前置きが長くなってしまいます。

 今回の発表は、「Ia型超新星の明るさが時代によってホントにずれてるっぽい!」という観測結果です。

 Kang博士、李教授らのグループは、比較的近くで発生したIa型超新星の属する母銀河を精密に観測し、その年齢を求めました。すると、超新星の明るさと年齢の間に相関が見つかったというのです。

 今回の結果を考慮すると、宇宙膨張は加速してないとしても、これまでの観測結果を説明することができるといいます。

 図1をごらんください。水色の丸は、これまで観測された超新星の見かけの明るさです。

 もしも宇宙膨張の加速がなく、超新星の明るさが変化しないならば、観測データ(丸)は水平線上に並ぶはずです。が、観測データは水平線から上にずれています。

 このずれは、宇宙膨張の加速(黒いカーブ)による、というのが標準的な解釈です。このずれからダークエネルギーが宇宙空間を満たすという結論が導かれるわけです。

 けれども今回の発表によると、超新星の明るさが時代によって変化する効果(赤いカーブ)でも、水平線からのずれを説明できるというのです。

 もし宇宙膨張の加速が必要ないなら、宇宙項もダークエネルギーも必要ありません。

図1:Ia型超新星の見かけの明るさと距離の関係。横軸は、超新星の距離を赤方偏移パラメータzで表わした値で、遠いものほど右。縦軸は、超新星の見かけの明るさのハッブルの法則からのずれ。丸印は別のグループによる測定データ。黒いカーブは、宇宙膨張の加速による予想値。赤いカーブは、超新星の明るさの時代による変化による予想値。どちらのカーブでも、測定データを説明できる。


ダークエネルギーの運命や如何(いか)に

 さて今回の発表が正しくて、ダークエネルギーは一時の幻となるのでしょうか。私たちはあとで振り返って「どうしてあんなもの信じていたんだろう」と訝(いぶか)しむのでしょうか。(そういうことは宇宙論の歴史において何度もありました。) それともやはり宇宙膨張は加速しているのが本当なのでしょうか。

 李教授によると、この結果は「ノーベル賞にもつながったダークエネルギーの発見が、はかない偽りの(fragile and false)仮定に基づく作り物(artifact)かもしれないことを示している」と、かなり強気です。

 どんな研究結果も、観測事実に照らして、検証していくのが科学の手法です。この発表は宇宙論業界に論争を巻き起こしたところです。李教授によると、高赤方偏移超新星探索チームのリース教授とも議論中とのことです。またこの発表がきっかけとなって、膨張加速を検証する観測研究が今後次々行なわれるでしょう。

 ダークエネルギーの運命や如何に。期待して決着を待ちましょう。(たぶん20年くらいかかります。)

*1:延世大学校プレス・リリース(2020/01/05)
*2:Yijung Kang, Young-Wook Lee, Young-Lo Kim, Chul Chung, Chang Hee Ree, 2020, “Early-type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology”, ApJ 889, 8.
*3:ジョージ・ガモフ『わが世界線』(『宇宙=1、2、3…無限大』(白楊社)に所収)

筆者:小谷 太郎