ビッグバンの余波を研究する新しい望遠鏡

天文学者は現在、天文学のフロンティアを押し広げている。今まさに、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のような天文台が、”宇宙の暗黒時代 “として知られる時期に形成された、宇宙で最も初期の星や銀河を可視化している。この時代は、宇宙が中性水素の雲に覆われていたため、以前は望遠鏡で観測することができなかった。その結果、今日見ることができる唯一の光は、ビッグバンからの遺物である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）、または水素の再電離によって作られた21cmのスペクトル線（別名：水素線）である。

暗黒時代のベールが徐々に剥がされつつある今、科学者たちはビッグバンによって作られた「原始重力波」を観測することで、天文学と宇宙論の次のフロンティアを考えている。最近のニュースでは、全米科学財団（NSF）がシカゴ大学に370万ドルを授与したことが発表された。この助成金の目的は、CMBとビッグバン直後に発生した重力波をマッピングする次世代望遠鏡の開発に資金を提供することである。

重力波（GW）は、もともとアインシュタインの一般相対性理論によって予言されたもので、ブラックホールや中性子星などの巨大天体の合体によって生じる時空のさざ波である。科学者たちはまた、ビッグバンの間に形成されたGWが、現在でも背景の振動として見える可能性があると理論化している。ローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）と共同で、シカゴ大学のCMB-S4プロジェクトの研究者たちは、南極とチリに望遠鏡とインフラを建設し、これらの波を探索しようとしている。

この共同研究には現在、20カ国の100を超える機関から450人の科学者が参加している。プロジェクト全体は、NSGと米エネルギー省（DOE）が共同で資金を拠出することが提案されており、NSFの部分はシカゴ大学が、DOEの部分はローレンス・バークレー国立研究所が主導する。プロジェクトの総工費は約8億ドルで、2030年代初頭までに運用が開始される予定である。これらの望遠鏡は、原始GWの探索に加えて、CMBを驚くほど詳細にマッピングし、宇宙が時間とともにどのように変化してきたかを明らかにすることができる。

これらの望遠鏡は、とらえどころのない “暗黒の宇宙 “を探索し、現在の宇宙論モデルを検証するのにも役立つだろう。John Carlstromは、シカゴ大学の天文学・天体物理学・物理学のSubrahmanyan Chandrasekhar特別功労教授であり、CMB-S4のプロジェクト・サイエンティストである。「これらの望遠鏡によって、我々は宇宙全体がどのようにして誕生したのかという我々の理論を検証するだけでなく、地球上の素粒子物理学実験では不可能な、最も極端なスケールの物理学を見ることになる。

CMBには宇宙の誕生に関する情報が含まれているため、科学者たちは何十年もの間、CMBのマッピングを行ってきた。これには、ソ連のRELIKT-1、NASAの宇宙背景探査機（COBE）、ウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機（WMAP）、ESAのプランク衛星などの宇宙望遠鏡が含まれる。これらのミッションは、CMBの小さな温度異方性（ゆらぎ）をますます詳細に測定し、宇宙がどのように始まったかについてのヒントを与えている。しかし、必要なのは、宇宙がインフレーションのバーストで始まったかどうかといった宇宙論的な深い疑問に答えるのに十分な感度を持つ望遠鏡である。

この目的のために、CMB-S4は、宇宙船と地上から宇宙の最初の光をマッピングするために、信じられないほど複雑な装置を構築する予定である。このアレイには、チリのアタカマ高原にある2台の新しい望遠鏡と、NSFの南極観測所（SPS）にある9台の小型望遠鏡が含まれる。このプロジェクトは、2007年からSPSで稼働している南極望遠鏡にも依存する。チリの望遠鏡は、CMBのより詳細な画像をとらえるため、空の広範囲なサーベイを行う。一方、NSFの南極ステーションの望遠鏡は、空のより小さな部分を深く連続的に観測する。

チリからの観測は、物質の進化と分布についての理解を深め、宇宙初期に存在した可能性のある残存光粒子を探すのに役立つだろう。一方、南極大陸の望遠鏡は、地球が自転している南極大陸で、空の一部分を連続的に観測することができるため、ユニークな宇宙観が得られるだろう。これらの望遠鏡を組み合わせることで、天文学者は素粒子よりも小さな空間が突然大きな体積に膨張することで生じる時空のさざ波を探すことができる。

ローレンス・バークレー国立研究所の物理学者であるJim Strait氏（CMB-S4のプロジェクト・ディレクター）は、これは野心的だが価値のある目標だと言う。「多くの点で、インフレーションの理論は優れているように見えますが、実験的証拠のほとんどは状況証拠に過ぎません。原始重力波を発見することは、インフレーションの “決定的な証拠”と呼ぶ人もいます」と語る。

これらの波紋はCMBと相互作用し、明瞭な（しかし極めて微弱な）サインを残すので、CMBの大規模かつ連続的なマッピングは、その存在を示唆するはずである。CMB-S4は、ダークマターとダークエネルギーの性質についても手がかりを与えてくれるはずだ。前者が宇宙の質量の大部分（約69％）を占めると考えられているのに対し、後者は宇宙の膨張を加速させている。さらに、原始重力波のマッピングは、科学者が重力と量子力学のつながりを見つけるのにも役立つだろう。

マイクロ波検出器はすでに感度が高く、バックグラウンドノイズや局所的な干渉によって測定値が支配されている。そのため、CMB-S4実験では、これまでのすべての実験を合わせたよりも多い50万個近い超伝導検出器を搭載し、測定回数を大幅に増やすことで、信号レベルの正確な測定とノイズの低減を図る計画である。NSFからの新たな助成金は、これまでで最も複雑な新しい望遠鏡とサイトのインフラの設計に資金を提供する。

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