11/11/2019

宇宙はどんな形ですか?

Quanta Magazineより

宇宙初期の究極の判断基準のデータセットを再分析したら、彼らは宇宙は「閉じている」、または球のように丸くなければならないと結論付けました。他のほとんどは確信できません。

左に見られるように、平坦な宇宙では、直線は無限に伸びます。右の閉じた宇宙では、球体の表面のように丸くなっています。その中で、直線は最終的にその開始点に戻ります。

Natalie Wolchover

Nature Astronomy誌に発表された挑発的な論文は、宇宙論の標準理論が予測するように、宇宙は一枚の紙のように平坦に横たわるのではなく、球体のように曲がってそれ自体に近づく可能性があると主張しています。著者らは主要な宇宙論のデータセットを再分析し、データが99%の確実性で閉じた宇宙に都合が良いと結論付けました —— 他の証拠が宇宙が平坦であることを示唆しているとしてもです。

問題のデータ — 宇宙マイクロ波背景(CMB)と呼ばれるプランク宇宙望遠鏡による宇宙初期の光の観測 — は「明らかに閉じたモデルを指し示している」とローマのサピエンツァ大学のアレッサンドロ・メルキオーリは述べています。彼は、マンチェスター大学のEleonora di Valentinoおよび主にオックスフォード大学のJoseph Silkと共同でこの新しい論文を執筆しました。彼らの見解では、宇宙が閉じていることを示唆するCMBデータと、平坦性を示す他のデータとの間の不一致は、「劇的な再考」を必要とする「宇宙論的危機」と述べています。

しかし、プランク望遠鏡の責任を負っている科学者チームは、2018年の分析で様々な結論に達しました。サセックス大学の宇宙学者であり、その分析に携わったプランクチームのメンバーであるアントニー・ルイスは、di Valentino、Melchiorri、およびSilkが閉じた宇宙の証拠として解釈したCMBデータの特定の特徴の最も簡単な説明は、それは単なる統計的な問題ということです。ルイスと他の専門家は、データの関連するパズルとともに、問題をすでに綿密に調査していると言います。

「これらの兆候が何らかのレベルで存在するという論争はありません」とジョンズ・ホプキンス大学の宇宙学者で、プランク分析や新しい研究に関与しなかったグレアム・アディソンは言いました。「解釈に関しては意見の相違があるだけです。」

宇宙が平坦であるかどうか、つまり、空間を横切って並んでいる2つの光線が、閉じた宇宙のように最終的に交差して旋回して元の場所に戻るのではなく、永遠に平行のままであるかどうかは、宇宙の密度に大きく依存します。宇宙のすべての物質とエネルギー(暗黒物質と暗黒エネルギーを含む)が、外向きの膨張のエネルギーが内向きの重力のエネルギーとバランスする正確な濃度に達すると、空間はすべての方向に平坦に広がります。

宇宙のインフレーションとして知られる宇宙の誕生の主要な理論は、純粋な平坦さを生み出します。そして、2000年代初頭以降の様々な観測により、私たちの宇宙は非常に平坦であり、従ってこのわずがな臨界密度の中に収まらなければならないことが示されています—これは、1立方メートルの空間あたり約5.7個の水素原子に相当するものと計算され、そのほとんどは見えません。

プランク望遠鏡は、過去138億年にわたって宇宙を通過する際にCMB光がどの程度偏向または「重力レンズ効果」を受けたかを測定することにより、宇宙の密度を測定します。これらのCMBフォトンが地球への旅で遭遇する物質が多ければ多いほど、より多くの屈折を獲得し、その結果、それらの方向は初期宇宙の出発点を鮮明に反映しなくなります。これは、ぼかし効果としてデータに現れ、光の空間パターンの特定のピークとくぼみを滑らかにします。新しい分析によると、CMBの大量のレンズ効果は、宇宙が臨界密度よりも約5%密度が高く、重力が勝ち、宇宙がそれ自体に近づくように、5.7ではなく1立方メートルあたり6個の水素原子に平均化されることを示唆しています。

宇宙マイクロ波背景のプランク衛星のマップ。ESA/Planck Collaboration

プランク科学者らは、数年前に予想よりも大きいレンズ効果に気付きました。その異常は、昨年リリースされた完全なデータセットの最終分析で最も顕著に現れました。宇宙が平坦な場合、宇宙論者は、データのランダムな統計的変動のために、曲率の測定値がゼロの「標準偏差」の約1以内に収まることを期待しています。しかし、プランクチームと新しい論文の著者の両者は、CMBデータが3.4標準偏差だけ逸脱していることを発見しました。宇宙が平坦であると仮定すると、これは大きな偶然です—コインで11回連続で表が出るのとほぼ同じで、1%未満の確率で発生します。プランクチームは、測定値をそのようなまぐれ、またはCMBの光をぼかす余分な物質の効果を模倣する原因不明の効果に起因すると考えています。

あるいは、ひょっとすると宇宙は本当に閉じているかです。Di Valentinoと共著者は、閉じたモデルがCMBの他の異常な発見を解決することを指摘しています。例えば、研究者は、空の様々な領域から来るCMB光の色の変化を測定することにより、暗黒物質や暗黒エネルギーの量など、私たちの宇宙の重要な成分の値を推測します。しかし、不思議なことに、空の小さな領域を比較するときと大きな領域を比較するとき、彼らは異なる答えを得ました。著者らは、閉じた宇宙を想定してこれらの値を再計算しても、違いはないと指摘しています。

ニューヨークのバッファロー大学の宇宙学者であるウィル・キニーは、この閉ざされた宇宙モデルのこの思いがけない利点を「本当に興味深い」と呼びました。しかし、彼は、CMB光で見られる大小の変動の不一致は簡単に統計的変動そのものであるか、レンズ測定に影響を与える可能性のある同一の未確認エラーに起因する可能性があることに注意しました。

宇宙論の標準理論によると、宇宙を形作るこれらの重要な特性は6つだけです。これは、Λ-CDMモデル(ギリシャ文字Λまたはラムダで表される暗黒エネルギーにちなんで命名され、冷たい暗黒物質)として知られています。わずか6つの数字で、Λ-CDMは宇宙のほぼすべての特徴を正確に説明します。また、Λ-CDMは曲率を予測しません。宇宙は平坦だと言います。

新しい論文では、7番目のパラメーターをΛ-CDMに追加する必要があるかもしれないと効果的に主張しています。これは、宇宙の曲率を記述する数値です。レンズ測定では、7番目の数値を追加すると、データとの適合性が向上します。

しかし、他の宇宙論者は、理論に7番目のパラメーターを追加するのに十分なほど異常を真剣に取る前に、Λ-CDMが正しくなる他のすべてのことを考慮する必要があると主張します。もちろん、この1つの異常(コインが11回連続して表が出る)に注目して、何かがおかしいと言うことができます。しかし、CMBは非常に大きなデータセットであるため、コインを数百または数千回放り投げるようなものです。そうすることで、11回表のランダムなランが1回発生することを想像するのはそれほど難しくありません。物理学者はこれを「どこでも(他の場所を見る: look elsewhere)」効果と呼びます。

さらに、研究者は、他のほとんどの測定では7番目のパラメーターは必要ないことに注意しています。空の4つのポイントのセットからの光の相関を測定することにより、CMBから空間的な曲率を収集する2番目の方法があります。この「レンズ再構成」測定は、宇宙が平坦であり、7番目のパラメーターが不要であることを示しています。さらに、BOSSの調査では、バリオン音響振動と呼ばれる宇宙信号の独立した観測も平坦性を示しています。プランクは、2018年の分析で、レンズ測定と他の2つの測定を組み合わせて、1つの標準偏差ゼロ以内の空間曲率の全体的な値に到達しました。

Di Valentino、Melchiorri、Silkは、これら3つの異なるデータセットを組み合わせることで、異なるデータセットが実際に一致しないという事実を隠すと考えています。「ここでのポイントは、宇宙が閉じているということではありません」とMelchiorriは電子メールで言いました。「問題はデータ間の不一致です。これは、現在、一致モデルが存在せず、何か不足していることを示しています。」言い換えると、Λ-CDMは間違っているか不完全です。

この記事のために相談した他のすべての研究者は、証拠の重みが宇宙が平坦であることを示していると考えています。「他の測定値を考えると、プランクデータのこの動作の最も明確な解釈は、統計的な変動であるということです。おそらく、プランク分析のわずかな不正確さが原因であるか、完全に単なるノイズ変動または偶然である可能性があります。しかし、どちらにしても、この閉じたモデルを真剣に受け止める理由は本当にありません。」

それは宇宙論的な写真に欠片が欠けていないということではありません。ΛCDMは、宇宙の現在の膨張率の誤った値を予測しているようで、ハッブル定数問題として知られる論争を引き起こしています。しかし、宇宙が閉じていると仮定してもこの問題は解決しません。実際、曲率を追加すると膨張率の予測が悪化します。プランクの異常なレンズ測定以外に、宇宙が閉じていると考える理由はありません。

「時間は告げますが、個人的には、このことについてひどく心配していません」と、KinneyはCMBデータの曲率の提案に言及しながら述べました。「それは蒸気であることが証明された類似の異常を持つ種類のものです。」

2019年11月4日に修正: この記事のオリジナルバージョンはBOSSサテライトに言及していました。実際、BOSS調査は地上の望遠鏡で行われました。

Slashdot