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宇宙の距離を測るもうひとつの新しい方法:バリオン音響振動

私たちが相対論的な宇宙に住んでいるという事実のおかげで、宇宙の距離を測定することは大きな挑戦である。天文学者が遠くの天体を観測するとき、彼らは単に宇宙空間を見通すだけでなく、時間をさかのぼって見ることになる。さらに、宇宙はビッグバンで誕生して以来膨張し続けており、その膨張は加速している。天文学者は通常、宇宙距離を測定するために2つの方法のどちらかに頼っている(宇宙の距離梯子として知られている)。一方は、宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の赤方偏移を測定して宇宙距離を決定する方法である。

逆に、視差測定、変光星、超新星を使った局所的な観測に頼ることになる。残念なことに、CMBの赤方偏移測定と局所観測の間には食い違いがあり、ハッブルテンションと呼ばれる現象が起きている。この問題に対処するため、中国の複数の大学とコルドバ大学の天文学者チームが、100万個の銀河について2年間にわたる統計解析を行った。そこから、彼らはバリオン音響振動(Baryon Acoustic Oscillations: BAO)に依存して、より高い精度で距離を決定する新しい技術を開発した。

研究チームには、上海交通大学(SJTU)とダラム大学計算宇宙論研究所(ICC)の大学院研究員Kun Xu氏、SJTUのTsung-Dao Lee研究所と素粒子物理学・宇宙論上海重点研究所の教授Yipeng Jing氏、Gong-Bo Zhao氏らが参加した;国立天文台(NAO-CAS)、中国科学院大学(UCAS)、天文学・天体物理学フロンティア研究所(IFAA)の副所長であるGong-Bo Zhao氏。コルドバ大学のアントニオ・J・クエスタ准教授(物理学)も加わった。彼らの発見を記した論文は、最近『Nature Astronomy』誌に掲載された。

BOSS cover
BAO の概念を示す図。これは初期の宇宙に刻み込まれており、現在でも BOSS などの調査で見ることが出来る。 (Credit: Chris Blake/Sa​​m Moorfield)

2005年に初めて実証されたバリオン音響振動は、ビッグバンの数少ない痕跡のひとつであり、(CMBのように)宇宙でまだ検出することができる。ビッグバン後の最初の38万年間は、これらの波動は、池の波紋のように液体のように振る舞う非常に高温の物質中を伝播していた。その後5億年かけて宇宙が膨張・冷却するにつれて、これらの波は事実上 “時間の凍結”となった。これらの波の正確な継続時間がわかっているため、銀河間の距離から宇宙論的距離を測定するのに非常に有用である。

BAOを検出し、その大きさを決定することは、宇宙を何十億光年も離れた天体(宇宙論的距離)まで正確にマッピングするために不可欠である。この研究のために、研究チームは、バリオン振動分光サーベイ(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: BOSS)のCMASSサンプルと暗黒エネルギー分光器(DESI)のレガシー・イメージング・サーベイを組み合わせた第12次データリリース(DR12)に含まれる100万個近い銀河を統計的手法で調べた。これにより、銀河の楕円率と銀河の周りの密度に関する正確な情報を得ることができた。

通常、隣り合う銀河の重力によって、銀河は互いに相対的に近接するところまで引き伸ばされるため、これは重要なことだった。しかし、宇宙のある場所では、この効果はそれほど強くない。すべてのデータを統合して調べたところ、彼らの方法はBAOが見つかる場所を示していることがわかった。コルドバ大学のプレスリリースでCuesta教授はこう述べている:

銀河があるべき場所を指していないそのような場所にこそ、バリオン音響振動があるのです。この研究が最初に実用化される可能性があるのは、銀河の位置と、銀河と地球との隔たりをより正確に確定することですが、ある意味、我々は過去を見つめているのです。

宇宙の距離梯子の他の手法と組み合わせることで、この独立した手法は、現代の宇宙論におけるより厄介な問題のひとつを解決する助けになるだろう。宇宙距離の正確な推定値を得ることは、宇宙が時間とともにどのように膨張してきたかなど、天文学の新しい扉を開くことになる。これは、宇宙を支配する物理学への革命的な洞察につながり、現代天文学における最大の謎の2つであるダークマターとダークエネルギーの存在と役割に関する疑問を解決する可能性がある。

また、一般相対性理論で説明されているような、重力が最も大きなスケールでどのように振る舞うかについての我々の考え方に、若干の修正が必要であることも明らかになるかもしれない。


論文

参考文献


この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、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。

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