宇宙がビッグバン以来膨張し続けていることは、1世紀以上前から天文学者の間で知られていた。最初の80億年間は、重力によって膨張が抑えられていたため、膨張のスピードは比較的一定だった。しかし、ハッブル宇宙望遠鏡などのミッションにより、約50億年前から宇宙膨張のスピードが加速していることが分かってきた。このため、膨張の背後には謎の力（ダークエネルギーと呼ばれる）があるという説が広く受け入れられているが、一方で、重力の力が時代とともに変化したのではないかという主張もあった。

これは、Einsteinの一般相対性理論が間違っていることを意味するので、論争の的になっている仮説である。しかし、国際的な暗黒エネルギー調査（DES）共同研究機関による新しい研究によると、重力の性質は宇宙の全歴史を通じて同じままであることがわかった。これらの発見は、重力と宇宙進化におけるその役割についてさらに精密な測定を行うために、2つの次世代宇宙望遠鏡（ナンシー・グレース・ローマンとユークリッド）が宇宙に送られる少し前に行われたものだ。

DESは、米国、英国、カナダ、チリ、スペイン、ブラジル、ドイツ、日本、イタリア、オーストラリア、ノルウェー、スイスの大学および研究機関の研究者で構成されている。3年目の研究成果は、8月22日から26日までリオデジャネイロで開催された「素粒子物理学・宇宙論国際会議（COSMO’22）」で発表された。また、「Dark Energy Survey Year 3 Results」と題した論文でも共有されました。また、アメリカ物理学会誌『Physical Review D』に掲載された論文「Dark Energy Survey Year 3 Results: Constraints on extensions to Lambda CDM with weak lensing and galaxy clustering」でも紹介されている。

Einsteinが1915年に完成させた「一般相対性理論」は、重力の存在によって時空の曲率がどのように変化するかを記述したものである。この理論は、水星の軌道や重力レンズ、ブラックホールの存在など、宇宙に関するほとんどすべてのことを1世紀以上にわたって正確に予測してきた。しかし、1960年代から1990年代にかけて、2つの矛盾が発見され、天文学者はアインシュタインの理論が正しいかどうか疑問に思うようになった。まず、銀河や銀河団のような巨大構造物の重力効果が、観測された質量と一致しないことがわかった。

その結果、宇宙には目に見えない質量があり、それが重力によって通常の物質（発光する物質、目に見える物質）と相互作用しているという説が生まれた。一方、宇宙の膨張（加速度）が観測されたことから、「暗黒エネルギー説」や「ΛCDMモデル（Cold Dark Matter）」という宇宙論的モデルが生まれた。コールドダークマターとは、この質量が大きく動きの遅い粒子で構成されているという解釈で、Λ（ラムダ）はダークエネルギーを表している。理論的には、この2つの力が宇宙の質量・エネルギー全体の95%を占めるとされているが、その直接的な証拠を見つけようとする試みはすべて失敗している。

唯一可能性があるとすれば、相対性理論を修正して、この矛盾を説明する必要があるということだ。そこでDESのメンバーは、チリにあるセロ・テロロ米州天文台のVíctor M. Blanco望遠鏡を使って、50億光年先までの銀河を観測した。50億年前（加速が始まってから）、あるいは宇宙的な距離で重力が変化しているかどうかを調べようとしたのだ。また、2009年から宇宙マイクロ波背景（CMB）を観測している欧州宇宙機関（ESA）のプランク衛星など、他の望遠鏡のデータも参考にした。

そして、その画像に暗黒物質（重力レンズ）による微妙な歪みが含まれていることに注目した。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）から公開された最初の画像が示すように、重力レンズが時空をどの程度歪めているかを分析することで、重力の強さを推測することができるのだ。DESはこれまでに1億個以上の銀河の形状を測定し、その観測結果はすべて一般相対性理論が予測するものと一致している。一般相対性理論がまだ有効であることは喜ばしいが、これは同時に、ダークエネルギーの謎が当分の間続くことを意味している。

幸いなことに、天文学者がより詳細なデータを入手できるようになるまで、それほど長くはかからない。まず、遅くとも2023年までに打ち上げられる予定のESAのユークリッドミッションがある。このミッションは、80億年前の宇宙の形状を調べ、ダークマターとダークエネルギーの影響を測定するものだ。2027年5月には、110億年以上をさかのぼるNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡が加わる予定だ。これらは、これまでで最も詳細な宇宙論的調査となり、ΛCDMモデルに対する（あるいはそれに対する）最も有力な証拠を提供するものと期待されている。

JPLの博士研究員としてこの研究を行った研究共著者のAgnès Ferté氏は、最近のNASAのプレスリリースで次のように語っている。

「アインシュタインの重力理論に挑戦する余地は、測定がより精密になるにつれて、まだ残っています。しかし、ユークリッドやローマ帝国のようになるには、まだやるべきことがたくさんあるのです。ですから、ダークエネルギーサーベイのように、この問題で世界中の科学者と協力し続けることが不可欠なのです。」

さらに、JWSTが提供する宇宙初期の星や銀河の観測により、天文学者は宇宙の進化をその初期段階から描くことができる。これらの取り組みにより、宇宙における最も差し迫った謎のいくつかに答えることができる可能性がある。例えば、相対性理論と観測された宇宙の質量や膨張がどのように一致しているのか、また、重力や量子力学で記述される宇宙の他の基本的な力がどのように相互作用するのか、万物の理論(ToE)に対する洞察を与える可能性もある。

現在の天文学を特徴づけているのは、長期間のサーベイと次世代観測装置が一緒になって、これまで理論の域を出なかったものを検証していることだ。これらがもたらすブレークスルーの可能性は、私たちを喜ばせ、また困惑させることだろう。しかし、最終的には、宇宙の見方を一変させることになるのではないだろうか。

この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。