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宇宙は時間の経過と共に、その大規模構造は一定の速度で膨張し、密度の高い領域は寄り密度が高く、空間はより広くなると予想されている。

だがミシガン大学の研究によると、Einsteinの一般相対性理論に基づく以前の理解とは異なり、これらの実質的な構造物の成長ペースは予想よりも遅いことが判明した。

これらの構造物の解剖学的構造を調べると、我々の宇宙は広大な宇宙のクモの巣のように銀河で編まれていることがわかる。銀河はランダムに分布しているのではなく、集団で集まっているのだ。実際には、初期の宇宙の蜘蛛の巣は小さな物質の集合体から始まり、後に個々の銀河、銀河団、フィラメントへと発展していった。

Large scale structure of light distribution in the universe
宇宙の大規模構造 (Credit: Andrew Pontzen and Hiranya Peiris)

ダークエネルギー効果

最初は控えめな質量であったものが、重力相互作用によって、宇宙の時間の経過とともに、その地域からより多くの物質を引き寄せ、集めていく。その領域は、次第に密度が高くなるにつれて、自らの重力で崩壊していく。

研究チームによると、これらの塊は崩れるにつれて密度が高くなり、“成長”すると論文では表現されている。「一次元、二次元、三次元の崩壊が、シート、フィラメント、ノードのように見える。現実には、この3つのケースが混在しており、フィラメントに沿って銀河が存在し、銀河団-重力に縛られた宇宙で最も巨大な天体である数千の銀河の集団-がノードに位置しているのです」と、この研究の筆頭著者であり、同大学物理学科の博士研究員であるMinh Nguyen氏は語った。

研究者らは、成長抑制は宇宙マイクロ波背景放射に関するプランクのデータと、銀河の大規模構造、銀河団、宇宙速度に関するデータの両方によって支持されると主張している。

研究者らは、宇宙の膨張における暗黒エネルギーの重要性を強調している。この謎の要素は、宇宙の膨張を助けている。しかし、暗黒エネルギーは大きな構造に対して、宇宙の膨張とは逆の影響を与えている。

ダークエネルギーはブレーキとして働き、これらの摂動を減衰させ、構造の形成を制限する。これとは対照的に、重力はアクセルとして働き、物質の擾乱を大規模構造へと発展させる。「宇宙構造がどのようにクラスター化し、成長してきたかを調べることで、重力とダークエネルギーの性質を理解することができます」とNguyen氏は言う。

宇宙プローブ

研究チームは、宇宙マイクロ波背景放射(CMB)と呼ばれるものから始めて、大規模構造の時間的成長を分析するために様々なプローブを利用した。このプロセスは、ビッグバン直後に放出された光子に基づくもので、宇宙初期のスナップショットを提供する。その経路上にある大規模な構造は、光子が我々の望遠鏡に近づくにつれ、光子の進路を曲げたり、引き寄せたりする可能性がある。私たちの惑星と宇宙マイクロ波背景との間の構造と物質の分布は、研究者がそれらを見ることによって推測できるかもしれない。

「重要なことは、CMBと背景銀河は、我々や我々の望遠鏡からの距離が異なるため、銀河の弱い重力レンズは、CMBの弱い重力レンズで検出されるものと比べて、一般的に、より遅い時間での物質分布を調べることができるということです」と、Nguyen氏は言う。

研究者たちはさらに、局所宇宙における銀河の動きを調べ、さらに後の時代までの構造の出現を明らかにした。銀河の動きは、銀河が重力の井戸に落ち込むにつれて、その下にある宇宙構造の発達を直接追っている。

研究チームは、時間が経つにつれてその差が大きくなることを発見した。「これらの異なるプローブは、個々に、そして集合的に、成長の抑制を示している。これらのプローブがそれぞれ系統的な誤差を見逃しているか、標準模型の新しい後期物理を見逃しているかのどちらかです」と、Nguyen氏は言う。

今後、研究グループは成長抑制の統計的裏付けを改善したいと考えている。さらに、暗黒物質と暗黒エネルギーを含む従来のモデルで予想されるよりも、なぜ構造の成長が遅いのかを理解することにも時間をかけたい。「この効果の原因は、ダークエネルギーとダークマターの新しい性質によるものかもしれないし、一般相対性理論と標準モデルの延長線上にあるものかもしれません」と、Nguyen氏は展望を語った。


論文

参考文献

研究の要旨

我々は、暗黒エネルギーが支配的であった時代に、大規模構造の成長速度が抑制されていた証拠を示す。擾乱の成長率を “成長指数 “γでモデル化すると、現在の宇宙論データは、平坦なラムダ型冷たい暗黒物質宇宙論において、一般相対性理論が予言する値γ=0.55よりも高い成長指数を強く好むことがわかった。プランクからの宇宙マイクロ波背景データと、弱いレンズ効果、銀河のクラスター、宇宙速度からの大規模構造データの両方が、別々に成長抑制を支持している。これらを組み合わせると、γ=0.633+0.025-0.024となり、統計的有意差3.7σでγ=0.55を除いた。fσ8とプランク測定値の組み合わせでは、γ=0.639+0.024-0.025とさらに高い成長指数が好まれ、一致モデルとの4.2σの緊張に対応する。プランクのデータでは、抑制された成長率は非ゼロ曲率への選好を相殺し、後者のモデルと同様にデータに適合する。より高いγは、銀河クラスタリングと弱いレンズ測定から推測される物質揺らぎ振幅S8をより大きくし、プランクデータからのS8をより小さくし、S8の緊張を効果的に解決する。

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