新たな研究により、ビッグバン後の時間の流れは、「時間の遅れ（Time Dilation）」として知られる現象により、現在よりも5倍遅いことが確認された。

100年前、有名な理論家Albert Einsteinは、ビッグバンに近づけば近づくほど時間の流れは確かに遅くなると予言していた。しかし、クエーサーを “時計”として使ったオーストラリアの研究者たちによる最新の発見は、Einsteinが正しかったことを決定的に証明する初めてのものとなった。

「宇宙が誕生してまだ10億年余りの頃を振り返ってみると、時間は5倍も遅く流れているように見えるのです」と、研究の主執筆者であるシドニー大学物理学部およびシドニー天文学研究所のGeraint Lewis教授は、新発見を発表したプレスリリースの中で述べている。

時間の遅れは最近の天文学の進歩まで証明不可能だった

一般相対性理論を提唱したEinsteinは、驚くべき論争を巻き起こす発言をした。彼は「時間の遅れ」と呼ぶ現象により、ビッグバン後の数千年間、時間そのものは現在の5倍も遅く動いていたはずだとしたのだ。

以前は、天文学者はビッグバンの約半分、つまり宇宙誕生から約70億年後に、超新星から放出される光を使って、この時間拡張の兆候を目撃することができた。しかし、つい最近まで、天文学者が “時間をさかのぼる”ことができたのはそこまでだった。

「超新星は一つの閃光のようなもので、研究しやすいのですが、クエーサーはもっと複雑で、花火のようなものです」とLewis氏は言う。

オークランド大学の天文統計学者Brendon Brewer博士とともに、Lewis氏はついに、遠い過去に本当に時間の流れが遅かったのかどうか、そしてこの極端な時間拡張の時期がビッグバン後10億年以上も続いたのかどうかを調べることができた。

「我々が行ったことは、この花火大会を解明し、クエーサーも初期宇宙の標準的な時間の目印として使えることを示すことです」とLewis氏は説明した。

クエーサーがビッグバン後の太古の時間拡張の謎を解き明かす

「Einsteinのおかげで、時間と空間は絡み合っており、ビッグバンの特異点における時間の夜明け以来、宇宙は膨張し続けていることがわかっています。この空間の膨張は、初期の宇宙を観測すると、現在の時間の流れよりもはるかに遅く見えるはずだということを意味します」とLewis氏は言う。

Einsteinの予想が正しいことを証明するために、Lewis氏とBrewer氏は20年間に渡って190個のクエーサーから放射された光を調べた。遠方の銀河の中心に位置するクエーサーは、超活発な超大質量ブラックホールであり、その極端な重力は周辺にあるすべてのものに影響を与える。

これらのクエーサーから放射されるさまざまな色、すなわち緑色光、赤色光、そして赤外線スペクトルを分析することによって、二人は、それぞれのクエーサーが時間的に進むにつれて標準化された “時を刻む”ことを確立することができた。

次に、科学者が膨大なデータからパターンを探し出すのに使うベイズ分析というツールを使い、”宇宙の膨張がそれぞれのクエーサーの時を刻む音に刻み込まれている”ことを明らかにした。

「これらの精巧なデータによって、我々はクエーサーの時計の時を刻み、膨張する宇宙の影響を明らかにすることができました」と、Lewis氏は説明した。

古代の観察者には、時間の流れは同じに見えるだろう

興味深いことに、Lewis教授は、もしあなたが当時その辺りにいたとしても、その違いに気づくことはないだろうと言う。

「この幼い頃の宇宙にあなたがいたら、1秒は1秒のように思えるでしょう。しかし、120億年以上先の未来にある私たちの位置からは、その初期の時間は長く引きずっているように見えるのです」と、Lewis氏は説明する。

彼らの研究にあるように、これらの結果は、Einsteinが描いた膨張する宇宙をさらに裏付けるものであるが、遠方のクエーサーの時間膨張を特定できなかった以前の研究とは対照的である。

「これらの以前の研究によって、人々はクエーサーが本当に宇宙論的な天体なのか、あるいは宇宙が膨張しているという考え方が正しいのかどうかさえ疑問視するようになりました。しかし、これらの新しいデータと分析によって、我々はクエーサーのとらえどころのない時間を見つけることができ、クエーサーが相対性理論の予測通りに動作する事が分かりました」とLewis氏は説明する。

論文

• Nature Astronomy: Detection of the cosmological time dilation of high-redshift quasars

参考文献

• THe University of Sydney: Quasar ‘clocks’ show Universe running five times slower soon after Big Bang
• via ScienceAlert: Time Appears to Have Run 5 Times Slower in The Early Universe

研究の要旨

相対論的宇宙論の基本的な予言は、宇宙空間の膨張のために、遠方の宇宙を観測すると、局所的な宇宙で起こる現象よりも時間が拡張され、遅く見えるというものである。宇宙論的超新星の観測では、予想される赤方偏移に依存した時間拡張が明確に示されているが、他の遠方天体ではそうなっていない。ここでは、20年以上にわたって複数の波長帯で観測された190個のクエーサーのサンプルについて、ベイズ解析によって様々な仮説を評価し、宇宙の時間拡張を同定した。この検出は、観測されたクエーサーの変動には赤方偏移に依存した時間拡張がないとするこれまでの主張に対抗するものである。したがって、クエーサーの変動に赤方偏移依存性がないことは、標準的な宇宙論モデルに対する実質的な挑戦であるという主張を退けるだけでなく、この解析は、クエーサーの性質が、それらが真に宇宙論的に遠い天体であることと矛盾しないことをさらに示している。