アインシュタインの重力理論を宇宙スケールで検証してみた

宇宙に存在するすべてのものには重力があり、またそれを感じている。しかし、この最も一般的な基本原理は、物理学者にとって最大の難問でもある。アインシュタインの一般相対性理論は、星や惑星の重力を記述するのに非常に成功しているが、すべてのスケールに完璧に適用できるわけではない。

一般相対性理論は、1919年にエディントンが太陽による星明かりの偏向を測定してから、最近の重力波の検出まで、長年の観測的検証を通過してきた。しかし、量子力学の法則が働くような極端に小さい距離に適用しようとしたり、宇宙全体を記述しようとすると、理解のギャップが現れ始める。

今回、Nature Astronomy誌に掲載された私たちの新しい研究は、アインシュタインの理論を最も大きなスケールで検証したものだ。この結果は、一般相対性理論をこのスケールで微調整する必要があることを示唆している。

モデルの不具合？

量子力学では、何もない空間（真空）にはエネルギーが満ちていると考えられている。しかし、私たちはその存在に気づかない。なぜなら、私たちの機器はエネルギーの総量ではなく、その変化しか測定できないからだ。

しかし、アインシュタインによると、真空のエネルギーは反発する重力を持っており、何もない空間を押し広げてしまう。興味深いことに、1998年、宇宙の膨張が加速していることが発見された（この発見により、2011年のノーベル物理学賞が授与された）。しかし、この加速を説明するのに必要な真空エネルギー（ダークエネルギーと呼ばれる）の量は、量子論が予測する量よりも何桁も少ないのだ。

そこで、「古い宇宙定数問題」とも呼ばれる大きな疑問が生じる。それは、真空エネルギーが実際に重力を持っていて、宇宙の膨張を変化させているのかどうかということである。

もしそうだとしたら、なぜ真空の重力は予測よりもずっと弱いのだろうか？もし、真空に重力がないとしたら、何が宇宙の加速を引き起こしているのだろうか？

ダークエネルギーが何であるかは分からないが、宇宙の膨張を説明するためには、ダークエネルギーが存在すると仮定する必要がある。同様に、銀河や星団がどのように進化して現在のような姿になったかを説明するためには、ダークマターと呼ばれる目に見えない物質の存在を仮定する必要がある。

これらの仮定は、科学者たちの標準的な宇宙論に組み込まれており、「Λ-CDMモデル（LCDM）」と呼ばれる。そして、このモデルは、過去20年間に宇宙論者が収集したすべてのデータを適合させるのに、驚くほど成功している。

しかし、宇宙の大部分が、意味をなさない奇妙な値をとる暗黒の力や物質で構成されているという事実は、多くの物理学者に、アインシュタインの重力理論を宇宙全体を記述するために修正する必要があるのではないかと思わせているのだ。

数年前、ハッブル定数と呼ばれる宇宙膨張の速度を測定する方法が異なると、異なる答えが得られることが明らかになり、新たな展開が生まれた。

「ハッブルテンション（Hubble Tension)」と呼ばれるこの問題は、ハッブル定数に関する2つの数値の違いに起因している。一つは、ビッグバンから残された光（宇宙マイクロ波背景放射）に合わせて開発されたLCDM宇宙論モデルで予測される数値である。もうひとつは、遠方の銀河で超新星と呼ばれる星の爆発を観測して得られた膨張率である。

ハッブルテンションを説明するためにLCDMを修正する方法として、多くの理論的アイディアが提案されている。その中には、代替重力理論がある。

答えを探す

宇宙がアインシュタインの理論のルールに従っているかどうかを確認するために、私たちはテストを設計することができる。一般相対性理論では、重力とは空間と時間の湾曲であり、光と物質の通り道を曲げるものであると説明されている。重要なのは、光線と物質の軌道が重力によって同じように曲げられると予言されていることだ。

私たちは、宇宙論者のチームとともに、一般相対性理論の基本法則を検証してみた。また、アインシュタインの理論を修正することで、ハッブル張力など宇宙論の未解決問題の解決につながるかどうかも検討した。

一般相対性理論が大きなスケールで正しいかどうかを調べるために、私たちは初めて一般相対性理論の3つの側面を同時に調査することに着手した。それは、宇宙の膨張、光に対する重力の影響、物質に対する重力の影響である。

ベイズ推定と呼ばれる統計的手法を用いて、これら3つのパラメータをもとに、宇宙の歴史を通して宇宙の重力をコンピュータモデルで再構成した。パラメータは、プランク衛星による宇宙マイクロ波背景のデータ、超新星カタログ、SDSSやDES望遠鏡による遠方銀河の形や分布の観測データを用いて推定することができました。そして、この再構成をLCDMモデル（基本的にはアインシュタインのモデル）の予測と比較した。

その結果、統計的な有意性は低いものの、アインシュタインの予測とのミスマッチを示唆する興味深い結果が得られた。このことは、重力が大きなスケールで異なる働きをする可能性があり、一般相対性理論を修正する必要があることを意味している。

また、重力理論の変更だけでは、ハッブルテンション問題を解決することは非常に難しいことも判明した。完全な解決には、おそらく、ビッグバン直後に陽子と電子が初めて結合して水素が形成された時よりも前に存在した、宇宙論モデルにおける新しい成分、例えば、特殊な形態の暗黒物質、初期の暗黒エネルギー、原始磁場などが必要だろう。あるいは、データにまだ知られていない系統的な誤りがあるのかもしれない。

しかし、今回の研究により、宇宙論的距離における一般相対性理論の妥当性を、観測データを用いて検証することが可能であることが示された。ハッブル問題はまだ解決していないが、数年後には新しい探査機からさらに多くのデータが得られるだろう。

つまり、これらの統計的手法を使って一般相対性理論に手を加え続け、修正の限界を探り、宇宙論における未解決の課題の解決に道を開くことができるようになるのだ。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「We tested Einstein’s theory of gravity on the scale of the universe – here’s what we found」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。