実際の宇宙は想像よりもずっと小さいかも知れない

Douglas Adamsが言うように、宇宙は広い。

私たちが見ることのできる最も遠くの光は、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）である。これは、観測可能な宇宙の端を示すもので、宇宙が260億光年広がっていることを意味すると思われるかもしれないが、宇宙膨張のおかげで、現在は460億光年に近づいている。宇宙膨張のおかげで、現在の宇宙の大きさは460億光年に近づいている。しかし、ほとんどの宇宙学者は、宇宙は我々が観測できる一角よりもはるかに大きいと考えている。私たちが目にすることができるのは、無限とは言わないまでも、想像を絶するほど広大な創造のほんの一部なのだ。しかし、新しい論文では、観測可能な宇宙がほとんどすべてであると論じている。

言い換えれば、宇宙のスケールで見れば、宇宙は非常に小さいということだ。

宇宙論者が宇宙は大きいと考える理由はいくつかある。一つは銀河団の分布である。もし宇宙が私たちの目に見える範囲を超えていなければ、最も遠くにある銀河は私たちの領域に引力を感じるが、私たちからは引力を感じないため、非対称な銀河団が形成されることになる。銀河は目に見える宇宙全体でほぼ同じ大きさに集まっている。つまり、観測可能な宇宙は均質で等方的なのだ。

2つ目のポイントは、時空が平坦であることだ。もし時空が平らでなければ、遠くの銀河は歪んで見え、実際よりもずっと大きく見えたり小さく見えたりしてしまう。宇宙の膨張によって遠くの銀河がわずかに大きく見えることはあるが、時空の全体的な湾曲を示唆するようなものではない。我々の観測の限界からすると、宇宙が平らであるということは、観測可能な宇宙の少なくとも400倍は大きいということになる。

さらに、宇宙マイクロ波背景放射がほぼ完全な黒体であるという事実がある。温度にはわずかな変動があるが、本来あるべき温度よりもはるかに均一である。これを説明するために、天文学者たちはビッグバン直後の驚異的な膨張期を提唱している。その直接的な証拠は観測されていないが、このモデルは多くの宇宙論的問題を解決しているため、広く受け入れられている。もしこのモデルが正しければ、宇宙は観測可能な宇宙の1026倍の大きさになる。

では、これだけの理論的証拠と観測的証拠がありながら、宇宙が小さいと主張する人がいるのだろうか？それは超ひも理論と沼地に関係している。

超ひも理論はしばしば物理理論として紹介されるが、実際は数学的手法の集合体である。複雑な物理モデルの開発に使われることもあるが、それ自体が数学であることもある。超ひも理論の数学と物理モデルを結びつける際の問題のひとつは、その効果が見られるのは極端な状況だけであり、さまざまなモデルを否定できるだけの観測データがないことである。しかし、いくつかの超ひも理論モデルは、他のモデルよりもはるかに有望に見える。例えば、量子重力と互換性のあるモデルもあれば、そうでないモデルもある。そのため、理論家はしばしば、有望ではない理論の「沼地」を定義する。

有望な理論的土地を沼地から切り離すと、残るのは初期の宇宙インフレーションが選択肢にない理論である。インフレーション超ひも理論モデルのほとんどは沼地にある。このことから、初期インフレーションを起こさずに、観測と一致する宇宙論モデルを構築できないかと考えることになる。そこで、この新しい研究に行き着いた。

宇宙初期のインフレーションを回避する一つの方法は、高次元の構造に注目することである。古典的な一般相対性理論は、3つの空間と1つの時間、つまり3+1の4つの物理次元に依存している。数学的には、3+2の宇宙、あるいは4+1の宇宙を想像することができる。これは一般相対性理論の標準構造に限定されないため、超ひも理論では一般的なアプローチである。著者らは、適切な条件下で、観測と一致し、沼地を避けるような高次元構造を超ひも理論の中に構築できることを示している。彼らのおもちゃのモデルに基づくと、宇宙は観測された宇宙の100倍か1000倍の大きさしかないかもしれない。それでもまだ大きいが、初期のインフレーションモデルに比べれば、まさにちっぽけなものだ。

これらはすべて推測の域を出ないが、ある意味では初期のインフレーションも同じである。もし宇宙初期のインフレーションが本当なら、近い将来、重力波によってその影響を観測できるはずだ。もしそれができなければ、理論的な沼地から抜け出せるような超ひも理論モデルをもっと詳しく調べる価値があるかもしれない。

論文

arXiv: A small Universe

研究の要旨

多くの宇宙論モデルは、宇宙の総面積が非常に大きく、おそらく無限大であることを仮定、あるいは暗示している。ここではその代わりに、宇宙の大きさは比較的小さく、現在観測されている大きさよりもそれほど大きくないかもしれないと主張する。この考えを具体的に実現するのが、プラトー型インフレーションポテンシャルと組み合わせた無境界提案である。このモデルでは、波動関数の重み付けと幾何学的形状の許容性の基準による相反する効果が、小さな宇宙に有利に働く。宇宙が小さいということは、沼地の推測ともよく合うことを指摘し、暗黒次元のシナリオとの関連についてコメントする。

この記事は、BRIAN KOBERLEIN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。