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宇宙は「暗黒のビッグバン」で始まったかもしれない

ビッグバンは単独ではなかったかもしれない。宇宙のすべての粒子と放射線の出現は、ダークマター粒子で私たちの宇宙をあふれさせた別のビッグバンと合わせて起きたのかも知れないのだ。そして、それを検出することが可能かも知れない。

標準的な宇宙論では、初期の宇宙は非常にエキゾチックな場所であるとされている。この宇宙で最も重要なことは、ビッグバン後の非常に早い時期に起こったインフレーションであり、この現象によって宇宙は非常に急速に膨張した。インフレーションが終わると、その原動力となったエキゾチックな量子場は崩壊し、今日残っている粒子や放射線の洪水に姿を変えた。

宇宙が誕生して20分も経っていない頃、ビッグバン核合成と呼ばれる方法で、その粒子が最初の陽子と中性子へと組み合わされ始めた。ビッグバン核合成は、宇宙空間に存在する水素やヘリウムの量を正確に予測する計算であり、現代の宇宙論の柱となっている。

しかし、初期の宇宙像が解明されたとはいえ、宇宙における質量の大部分を占める謎の不可視の物質である暗黒物質については、まだ解明されていない。ビッグバン・モデルの標準的な仮定は、粒子や放射線が生成される過程で、暗黒物質も生成されるというものだ。そして、その後、暗黒物質は他の物質を無視してぶらぶらしている。

しかし、ある研究チームが新しいアイデアを提案した。彼らは、私たちのインフレーションとビッグバン核合成の時代は、単独ではなかったと考えている。ダークマターは、まったく別の軌道で進化したのかも知れないのだ。このシナリオでは、インフレーションが終わった後も、宇宙には粒子や放射線が溢れかえっていた。しかし、ダークマターは存在しない。その代わり、崩壊しない量子場が残っていたのだ。宇宙が膨張し、冷えていくにつれて、その量子場が変化し、暗黒物質が形成されるきっかけとなったのだ。

この考えの利点は、暗黒物質と通常の物質の進化を切り離すことで、暗黒物質が別の軌道で進化する間、ビッグバン核合成を現在の理解通りに進めることができることだ。

また、暗黒物質が独立した進化の過程を持つようになったことで、観測結果と比較するための計算が容易になり、暗黒物質の多様な理論モデルを探求する道も開かれた。例えば、この論文の研究チームは、いわゆるダークビッグバンがあったとすれば、それは私たちの宇宙が誕生してから1カ月も経っていないときに起こったはずだと判断することが出来た。

また、ダークビッグバンの出現により、現在の宇宙まで続く強い重力波の非常にユニークなシグネチャーが放出されることも判明した。パルサー・タイミング・アレイなどの現在進行中の実験では、これらの重力波が存在すれば検出できるはずだ。

ダークビッグバンが起こったかどうかはまだ分かっていないが、この研究により、この考えを検証するための明確な道筋が出来たのだ。


論文

    研究の要旨

    ビッグバンは、宇宙のすべての物質と放射線の起源であるとしばしば考えられている。原始核合成(BBN)は、初期宇宙が温度 T>MeVの光子とバリオンの高温プラズマを含んでいたことを示す強力な証拠である。しかし、暗黒物質の最も早い発見は、構造形成のエポックからずっと後の時代のものである。本研究では、暗黒物質(と、場合によっては暗黒放射)が、BBNの前後、あるいはBBNの後に、「ダークビッグバン」と名付けた第二のビッグバンで形成されるというシナリオを説明する。ダークビッグバンは、ダークセクターの相転移によって、ダークな真空エネルギーが粒子のホットダークプラズマに変化することで起こる。正しい暗黒物質量は、暗黒物質の共食い、あるいは暗黒セクター内での対消滅、それに続く熱的凍結によって設定される。また、超重量級の「ダークジラ」暗黒物質が暗黒ビッグバン時のバブル衝突から直接発生する可能性もある。ダークビッグバンは、宇宙が1ヶ月未満のときに起こったとすると、構造形成や宇宙マイクロ波背景(CMB)からの制約と矛盾しないことを示し、可視領域の温度がO(keV)以上であることに対応する。暗黒物質が直接・間接的に検出されない一方で、暗黒ビッグバンは、パルサー・タイミング・アレイ実験で検証される印象的な重力波のサインを生じさせます。さらに、ダークビッグバンでは、自己相互作用する暗黒物質や暖かい暗黒物質の実現が可能であり、将来の小規模構造観測において興味深い発見の可能性を示唆している。


    この記事は、PAUL M. SUTTER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。

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