遠い宇宙に存在する巨大な構造が、宇宙がどのように進化してきたかという我々の理解を覆そうとしている。

「ビッグリング」と名付けられたこの構造は直径が約13億光年あり、これまで観測された中で最大級の構造物である。地球から90億光年以上離れているため、直接見ることはできないが、夜空の直径は満月15個分に相当する。

この謎の巨大構造は、既知の構造や形成メカニズムとは一致せず、宇宙論の標準モデルを修正する必要があることを意味する可能性があるとのことだ。

University of Central Lancashireの天文学者Alexia Lopezが率いるこの発見は、アメリカ天文学会第243回大会で発表された。

このビッグリングは、Lopez氏らが発見した2つ目の巨大構造だ。最初に見つかった巨大構造は、「ジャイアント・アーク」と呼ばれ、空の同じ場所にあり、同じ距離にある。ジャイアント・アークの発見が2021年に発表されたとき、天文学者は困惑した。ビッグリングはその謎をさらに深めている。

「現在の宇宙理論では、このようなスケールの構造はあり得ないと考えていました。観測可能な全宇宙に、おそらく1つだけ、非常に大きな構造が存在すると考えられます」と、Lopez氏はThe Guardian氏に語っている。

なぜこのような巨大な構造が大問題なのか？それは、宇宙は壮大なスケールでは均質であるべきだという宇宙論的原理として知られていることに反しているからだ。遠くの広大な静止した海を見てみよう。どの方向にも水があるだけだ。その理解によれば、直径 12 億光年を超えるものは存在すべきではない。その理由は、とりわけ、宇宙はそれらが形成されるのに十分な年齢ではないからだ。

Lopez氏によれば、この巨大構造が形成された理由のひとつは、バリオン音響振動（Baryonic Acoustic Oscillations: BAO）に関連している可能性があるという。BAOとは、宇宙空間のいたるところで見られる巨大な円形の銀河の配列のことである。統計的モデリングに基づくと、BAOは銀河の分布の中に球状の殻として現れると予想される。実際には球体で、初期の宇宙を伝搬していた音響波の化石であり、空間が拡散して音響波が伝搬できなくなったときに凍結した。

ビッグリングはBAOではない。BAOはすべて、直径が10億光年前後と決まっている。しかし、ビッグリングの性質が典型的なBAOの性質と相反することが研究によって示されており、その存在について別の理論が求められている。

では、これは一体何なのだろうか？また、宇宙論的原理にとって、それはどのような意味を持つのだろうか？

「私たちは、宇宙を大きなスケールで見たとき、物質が空間のどこにでも均等に分布していることを期待しています。ですから、ある大きさ以上には目立った不規則性はないはずです。ジャイアント・アークはその3倍近くあり、ビッグリングの円周はジャイアント・アークの長さに匹敵します」とLopez氏は説明する。

しかし、大きさは問題のひとつに過ぎない。もうひとつは、宇宙の進化を研究する宇宙論にとってどういう意味を持つかということだ。現在のモデルは、現在我々が観測しているものと最も適合しているが、その枠組みで説明するには難しい特徴もある。

このような特徴に対処するために、他のモデルが提唱されている。そのひとつ、Roger Penroseの共形周期宇宙論（Conformal Cyclic Cosmology: CCC）では、宇宙はビッグバンの膨張サイクルを無限に繰り返しており、リング構造が予想される。

また、ノーベル賞受賞者のJim Peeblesは最近、宇宙ひもとして知られる宇宙初期に形成された巨大なフィラメント構造が、銀河の異常な分布を説明できるかもしれないという仮説を立てた。

ジャイアント・アークと同様、ビッグリングは宇宙構造の現在の理論的な大きさの限界を超えている。このような巨大な構造は、宇宙には一様で大規模な構造があるとする宇宙論的原理に対する説得力のある挑戦である。

Lopez氏は、この矛盾を説明する可能性として、観測可能な宇宙が宇宙を代表するサンプルではない可能性があると言う。

「宇宙論的原理は、我々が見ることのできる宇宙の一部を、残りの宇宙がどのようなものであるかの “公正なサンプル”として見ることを想定しています。宇宙を大きなスケールで見ると、物質は宇宙のどこにでも均等に分布していると予想されるため、一定のサイズを超えると目立った不規則性は存在しないはずです」と、Lopez氏は述べている。

現在の宇宙原理に基づくと、宇宙の構造の理論的なサイズ限界は 12 億光年だ。しかし、Lopez氏が指摘しているように、ジャイアント・アークとビッグリングはこの理論上の最大値よりもはるかに大きい。

「現在の宇宙論の理論からは、この規模の構造が可能であるとは考えていませんでした。私たちの観測可能な宇宙全体で、ひょっとしたら非常に大きな構造物が 1 つあると予想されるかもしれません。それでも、ビッグ リングとジャイアント・アークは 2 つの巨大な構造物であり、宇宙論的に隣り合ったものですらあり、これは非常に魅力的です」と、Lopez氏は述べている。

Sources

• University of Central Lancashire: A Big Cosmological Mystery
• The Guardian: Newly discovered cosmic megastructure challenges theories of the universe