我々の物理学の最良の理解によれば、空間が膨張しているという事実は、時間の見かけ上の流れに影響を与えるはずであり、遠い宇宙はスローモーションで動いているように見える。
しかし、クエーサーと呼ばれる高輝度変光星銀河の観測では、この宇宙の時間膨張を明らかにすることはできなかった。
『Nature Astronomy』誌に掲載された新しい研究では、20年にわたる観測から、約200個のクエーサーの複雑なゆらぎを解き明かした。このゆらぎの中には、宇宙が膨張している痕跡が隠されており、宇宙がまだ10億歳だったころは、5倍の速さで時を刻んでいたように見えるのだ。
これは、クエーサーが宇宙の法則に従っていることを示しており、クエーサーが現代宇宙論への挑戦であるという考えを覆すものである。
時間とはおかしなものだ
1905年、Albert Einsteinは特殊相対性理論によって、時計の針が動く速さは相対的なものであり、時計の動き方に左右されると説いた。1915年、Einsteinは一般相対性理論において、重力も時計の相対的な速さに影響を及ぼすと説いた。
1930年代までに、物理学者たちは、Einsteinの一般相対性理論の言葉で説明される宇宙の膨張空間もまた、時を刻む宇宙に影響を与えることに気づいた。
光の速度は有限であるため、私たちが望遠鏡を覗くとき、私たちは過去を覗いていることになる。遠くを見れば見るほど、私たちは宇宙のはるか昔を見ることになる。しかし、膨張する宇宙では、遠くを見れば見るほど、空間はより長くなり、時計の針の相対的な性質はより大きくなる。
Einsteinの数学の予言は明らかである。私たちは、遠い宇宙がスローモーションで展開しているのを見るはずなのだ。
時を刻む超新星時計
このスローモーションの宇宙を測定するのは難しい。自然界には、相対的な刻みを比較できるような標準時計が宇宙全体に存在しないからだ。
1990年代になるまで、天文学者たちは超新星という特殊な爆発を起こす星を発見し、その時計がどのような時を刻んでいるのかを理解するのに時間がかかった。それぞれの超新星爆発は驚くほど似ており、急速に明るくなり、数週間かけて消えていった。
超新星は似ているが同一ではない。つまり、明るくなったり暗くなったりする速度は標準時計ではなかったのだ。しかし20世紀末になると、天文学者たちはこれらの爆発する星を宇宙の膨張のグラフに利用し、再び注目するようになった。(この膨張は加速していることが判明し、ダークエネルギーという予期せぬ発見につながった）。
この目標を達成するために、天文学者はそれぞれの超新星の特異性を洗い出し、標準的な固有の明るさと標準的な時計に一致させ、対等な立場に置く必要があった。
その結果、より遠方にある超新星のフラッシュは、Einsteinの予測通りに正確に引き伸ばされていることがわかった。観測された最も遠い超新星は、宇宙が現在の半分の年齢のときに爆発し、最近の超新星よりも2倍遅く明るくなったり暗くなったりした。
クエーサーの問題
宇宙の変動天体は超新星だけではない。
クエーサーは1960年代に発見され、銀河の中心に潜む太陽の何十億倍もの質量を持つ超巨大ブラックホールであると考えられている。物質は、ブラックホールの内部で忘却の彼方へと向かう過程で、ブラックホールの周りを渦巻き、その際に加熱され、明るく輝く。
クエーサーは非常に明るく、宇宙がまだ幼かったころに猛烈に燃えていたものもある。クエーサーはまた変光星でもあり、物質が破壊に向かう途中で乱雑に転がるため、光度が変化する。
クエーサーは非常に明るいので、超新星よりもはるかに遠くから見ることができる。そのため、膨張する空間と時間の拡張の影響がより顕著になるはずだ。
しかし、期待された信号の探索は空振りに終わっている。何十年もかけて観測された何百ものクエーサーのサンプルは、確かにばらつきがあったが、近くのクエーサーと遠くのクエーサーのばらつきは同じだったようだ。
このことから、クェーサーのばらつきは本質的なものではなく、宇宙に散らばるブラックホールが重力の作用で一部のクェーサーを拡大していることが原因であることを示すという意見もあった。さらに突飛なことに、期待された宇宙論的シグナルがないことは、宇宙論が間違っており、初心に戻る必要があることを示す明らかなサインだと主張する者もいる。
新しいデータ、新しいアプローチ
2023年、クエーサーの新しいデータが発表された。スローンデジタルスカイサーベイ（Sloan Digital Sky Survey）で発見されたクエーサー190個が、20年以上にわたって緑、赤、赤外線の複数の色で観測された。
データのサンプリングはまちまちで、ある時期にはたくさん観測され、ある時期にはあまり観測されなかった。しかし、イリノイ大学の大学院生Zachary Stone氏が率いる天文学者たちは、この豊富なデータから、それぞれのクエーサーの変動を「減衰ランダムウォーク」と呼ばれるものとして統計的に特徴付けることができた。この特徴づけによって、それぞれのクエーサーに時間スケール（目盛り）が割り当てられた。
それぞれの超新星と同じように、クエーサーもそれぞれ異なる。しかし、この新しいデータによって、似たようなクエーサー同士を一致させることができ、これらの違いの影響を取り除くことができた。以前の超新星と同じように、我々はクエーサーのチクタクを標準化した。
観測されたクエーサーの変動に唯一残された影響は、空間の膨張であり、我々はこのサインを明確に明らかにした。クエーサーは、Einsteinの理論が予言したとおりの宇宙の法則に従っていた。
しかし、クエーサーの明るさのために、この宇宙の時間膨張の影響はずっと遠くまで見ることができた。最も遠いクエーサーは、宇宙が現在の年齢の10分の1しかなかった頃に観測されたもので、現在の5倍もゆっくりと時を刻んでいた。
その核心は、Einsteinが再び正しいことを証明し、彼の宇宙に関する数学的説明がいかに我々の知る限り最良のものであるかを示す物語である。宇宙のブラックホールの海や、私たちが住んでいるのは静的で不変の宇宙だという考えは、この物語によって一掃された。そして、これこそが科学の進歩なのだ。
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