私たちは巨大な空洞に住んでいる?宇宙膨張の謎が解けるかもしれない

The Conversation
投稿日 2023年12月3日 10:40
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宇宙論における最大の謎のひとつは、宇宙の膨張速度である。これは、ラムダ・コールド・ダークマター・モデル(ΛCDM)としても知られる宇宙論の標準モデルを使って予測することができる。このモデルは、ビッグバンから残された光、いわゆる宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の詳細な観測に基づいている。

宇宙の膨張は銀河を互いに遠ざける。銀河が我々から遠ければ遠いほど、銀河の動きは速くなる。銀河の速度と距離の関係は「ハッブル定数」によって支配されており、メガパーセク(天文学における長さの単位)あたり毎秒約70kmである。これは、銀河が我々から100万光年離れるごとに、時速約8万kmずつ速くなることを意味する。

しかし、標準モデルにとって不運なことに、この値には最近異論があり、科学者たちが「ハッブルの緊張」と呼ぶ現象が起きている。近くの銀河や超新星(爆発する星)を使って膨張速度を測定すると、CMBに基づいて予測した場合よりも10%大きくなる。

私たちの新しい論文では、私たちが宇宙の巨大な空洞(平均密度以下の領域)に住んでいるという、ひとつの可能性を提示している。私たちは宇宙空間の巨大な空洞(平均密度以下の領域)に住んでいる。この空洞から物質が流出することによって、局所的な測定値が膨張する可能性があることを示す。流出は、空洞を取り囲む密度の高い領域が空洞を引き離すときに生じ、空洞内部の密度の低い物質よりも大きな引力を及ぼす。

このシナリオでは、私たちは半径約10億光年、密度が宇宙全体の平均より20%ほど低いボイドの中心付近にいる必要がある。

このような大きくて深い空洞は、標準モデルでは予想外のことであり、それゆえに議論の的となる。CMBは宇宙初期の構造を示すスナップショットであり、現在の物質は一様に広がっているはずであることを示唆している。しかし、さまざまな領域にある銀河の数を直接数えてみると、確かに局所的な空虚にあることがわかる。

重力の法則に手を加える

私たちは、初期の小さな密度揺らぎから成長した大きな空洞の中に私たちが住んでいると仮定することで、さまざまな宇宙論的観測と一致させ、この考えをさらに検証したいと考えた。

そのために、我々のモデルはΛCDMではなく、修正ニュートン力学(Mondified Newtonian Dynamics: MOND)と呼ばれる代替理論を組み込んだ。

MONDはもともと、銀河の自転速度の異常を説明するために提案されたもので、「ダークマター」と呼ばれる目に見えない物質の存在を示唆するきっかけとなった。MONDはその代わりに、重力が非常に弱い場合、つまり銀河の外側の領域のように、ニュートンの重力の法則が崩れることで異常が説明できると提案している。

MONDにおける全体的な宇宙膨張の歴史は標準モデルと似ているが、構造(銀河団など)はMONDの方が速く成長する。私たちのモデルは、MOND宇宙において、局所宇宙がどのように見えるかを捉えている。そして、このモデルによって、今日の膨張速度の局所的な測定値が、場所によって変動することを発見した。

最近の銀河の観測によって、私たちのモデルが予測する異なる場所での速度に基づく、新しい重要なテストが可能になりました。このテストは、バルクフローと呼ばれるものを測定することによって行うことができる。バルクフローとは、ある球体内の物質の平均速度のことで、密度が高かろうが低かろうが同じである。この速度は球の半径によって変化し、最近の観測では10億光年先まで続いている。

興味深いことに、この規模の銀河のバルクフローは、標準モデルで予想される速度の4倍である。また、銀河の流れは、標準モデルの予測とは逆に、考慮する領域の大きさとともに増加するようだ。この現象が標準模型と一致する可能性は、100万分の1以下である。

このため、我々の研究がバルクフローについてどのような予測をしているのか見てみることにした。その結果、観測結果とよく一致することがわかった。そのためには、私たちがボイドの中心にかなり近く、ボイドの中心が最も空いていることが必要です。

一件落着?

この結果は、ハッブル張力に対する一般的な解決策が難航しているときに発表された。もっと正確な測定が必要だという意見もある。また、私たちが局所的に測定している高い膨張率が、実際には正しいものだと仮定することで解決できると考える人もいる。しかし、そのためには宇宙初期の膨張の歴史に少し手を加える必要がある。

残念ながら、ある有力な論評は、このアプローチには7つの問題があることを明らかにしている。宇宙史の大部分において宇宙が10%速く膨張したとすると、宇宙は約10%若返ることになり、最も古い星の年齢と矛盾する。

銀河数における深く広がった局所的な空白の存在と、観測されたバルクフローの速さは、ΛCDMで予想されるよりも速く、数千万から数億光年のスケールで構造が成長していることを強く示唆している。

興味深いことに、大質量銀河団El Gordoは宇宙史の初期に形成され、標準模型と適合するには質量と衝突速度が大きすぎることがわかっている。これは、このモデルでは構造が形成されるのが遅すぎるという、さらなる証拠である。

重力はこのように大きなスケールで支配的な力であるため、アインシュタインの重力理論である一般相対性理論を拡張する必要がある。

しかし、100万光年以上のスケールで重力がどのように振る舞うかを測定する良い方法はない。一般相対性理論が有効であると仮定し、観測結果と比較することはできるが、まさにこのアプローチが、現在我々の宇宙論の最良のモデルが直面している非常に厳しい緊張につながるのである。

アインシュタインは、「そもそも問題を引き起こしたのと同じ考え方で問題を解決することはできない」と言ったと考えられている。たとえ必要な変更が劇的でなかったとしても、重力理論を変える必要があるという、100年以上ぶりの信頼できる証拠を目の当たりにすることになるかもしれない。


本記事は、氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Ancient megalodon super-predators could swallow a great white shark whole, new model reveals」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。



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