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2つの新しい宇宙望遠鏡がダークエネルギーに焦点を当てる

1990年代以来、由緒あるハッブル宇宙望遠鏡(HST)による観測のおかげで、天文学者たちは宇宙膨張の謎について考察してきた。科学者たちは1920年代後半から30年代前半にかけて、宇宙膨張について知っていたが、ハッブル宇宙望遠鏡の超深場観測キャンペーンによって得られた画像から、宇宙膨張が過去60億年間加速していることが明らかになった!これにより科学者たちは、宇宙には「重力を抑制する」未知の力が存在するというEinsteinの理論を再考することになり、彼はこれを宇宙定数と名付けた。今日の天文学者や宇宙学者にとって、この力は “ダークエネルギー”として知られている。

しかし、誰もがダークエネルギーの考えに納得しているわけではなく、宇宙の膨張は重力の理解に欠陥があることを意味しているのではないかと考える人もいる。近い将来、科学者たちは次世代宇宙望遠鏡の恩恵を受け、この謎めいた力について新たな洞察を得ることになるだろう。これには、今年7月に打ち上げが行われたESAのユークリッド・ミッションや、2027年5月に打ち上げが予定されているハッブルの直接の後継機であるNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡(RST)が含まれる。運用が開始されれば、これらの宇宙望遠鏡は競合する理論を調査し、どちらが正しいかを検証することになる。

減速しない

宇宙の膨張は、1927年にベルギーの天文学者George Lemaîtreによって発見され、1929年にはEdwin Hubbleによって独自に発見された。これらの観測は、宇宙の性質や、すべての銀河がひとつの出来事から生まれたのか(別名ビッグバン理論)、それとも新しい銀河が時間をかけて増えていったのか(定常仮説)についての議論を引き起こした。この論争は、ビッグバンの「遺物放射」である宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の発見と、天文学者が宇宙をより深く(つまり、より過去に)さかのぼることができるようになった観測装置の改良によって、決着がつくことになる。

時が経つにつれ、天文学者と宇宙論者は、ハッブル定数(またはハッブル・ルメートル定数)として知られる、宇宙が膨張する速度をより厳しく制約することができるようになった。しかし1990年代までに、Ia型超新星(宇宙距離の測定に使われる)の観測によって、ビッグバンから約80億年後に膨張速度が増加し始めたことが明らかになった。このことは、宇宙の膨張は重力によってゆっくりと止められ、やがて宇宙は収縮し、おそらく “ビッグクランチ“で終わると広く信じられていた考えと矛盾するものであった。

一方、宇宙膨張の速度はハッブル・ルメートル則(またはハッブル・ルメートル定数)として知られるようになった。時間とともに加速しているという事実は、何かが重力に逆らって働いている(ダーク・エネルギー)か、あるいは最大のスケールで重力がどのように働くかについての我々の理解が不完全であることを示唆している。100年以上にわたって、科学者たちはアインシュタインの一般相対性理論にこの現象を求めてきたが、宇宙の膨張によって、科学者たちは修正ニュートン力学(MOND)のような別の理論を提唱するようになった。

NASAジェット推進研究所のシニア・リサーチ・サイエンティストであり、「ローマン」の副プロジェクト・サイエンティストでもあるJason Rhodes氏は、「ユークリッド」の米国科学責任者でもある。彼は最近のNASAのプレスリリースでこう説明している:

「発見から25年経った今でも、宇宙の加速膨張は宇宙物理学で最も差し迫った謎のひとつである。これらの次期望遠鏡によって、我々はダークエネルギーをこれまでとは異なる方法で、これまで達成可能だったよりもはるかに高い精度で測定し、この謎に対する探求の新時代を切り開くだろう」。

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ユークリッドとナンシー・グレース・ローマ宇宙望遠鏡の能力を比較したインフォグラフィック。(Credit: NASA)

2つの宇宙望遠鏡

「ローマン」と「ユークリッド」は、我々の理解のギャップを埋めるために別々のデータストリームを提供し、その過程で宇宙加速の原因を突き止めることを期待している。これは、両望遠鏡が「弱い重力レンズ効果」として知られる手法を使って物質の蓄積を調べることから始まる。この現象は、重力が存在すると時空の曲率がどのように変化するかを記述する一般相対性理論によって予測されている。

この場合、宇宙望遠鏡は、ダークマターの塊のような、あまり集中していない質量によって引き起こされる微妙な効果を探すことになる。このデータは、ダークマターの3Dマップを作成するために使われる。ダークマターは、既知の宇宙に存在する物質の約85%を占め、銀河や銀河団を結びつけていると考えられている。ダークマターの濃度をマッピングすることで、ダークマターの引力がダークエネルギーの膨張力を打ち消すため、このマップは我々の宇宙を支配するプッシュプル力についての手がかりを提供する。

この2つのミッションはまた、銀河団が時代によってどのように変化してきたかを研究する。局所的な宇宙を調べたとき、天文学者は銀河の分布にパターンがあることに気づいた。この距離は、宇宙の膨張によって時間とともに長くなっており、この「好ましい距離」も変化している可能性が高い。この距離が時間とともにどのように変化してきたかを見ることで、宇宙の膨張の歴史が明らかになり、ダークエネルギーやMONDが働いているかどうかを調べるための高精度の重力テストが可能になる。

ローマン宇宙望遠鏡はまた、Ia型超新星の追加調査を行い、超新星がわれわれからどれだけ速く遠ざかっていくかを調べる。異なる距離で遠ざかっていく速度を比較することで、科学者たちは宇宙膨張を追跡する別の手段を手に入れ、ダークエネルギーの影響が時間とともに変化したかどうか、またどのように変化したかを明らかにする。そのためには、異なるが補完的な戦略を用いることになり、どちらか一方が単独で行うよりも、共に行う方がはるかに強力になる。

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NASAの広視野赤外線サーベイ望遠鏡(WFIRST)は、NASAの初代天文学部長にちなんで、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡と命名された。 (Credit: NASA)

ユークリッドは、光学機器と赤外線観測機器を駆使して、約15,000平方度(約3分の1)の領域を観測する。ユークリッドは、宇宙の膨張が現在よりもはるかに遅かったビッグバンからおよそ30億年後の100億年前までさかのぼる。一方、「ローマン」は、約2000平方度(夜空の20分の1)の領域を、より深く詳細に研究する。先進的な光学・赤外線イメージングモードを使って、ビッグバンからわずか20億年後の宇宙の姿を可視化する。

これにより、ハッブル宇宙望遠鏡の後継機は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が最近初めて行った「宇宙の夜明け」の間に形成された銀河を調べることができる。また、ユークリッドのミッションが宇宙論のみに焦点を当てるのに対し、RSTは近傍の銀河、恒星、太陽系外縁部を観測する。これらのサーベイは重複して行われるため、科学者は宇宙の「全体像」を把握すると同時に、個々の領域や天体に関する高感度で詳細なデータを得ることができる。これにより、ユークリッドのサーベイに補正を加え、より広い範囲に適用することも可能になる。

その結果は、現代の宇宙論と物理学の最も差し迫った謎に取り組むことになり、革命的というほかないだろう。発見次第では、ローマンとユークリッドは、一般相対性理論と宇宙の主流モデルであるラムダコールド・ダークマター(LCDM)モデルが正しいことを確認できるだろう。その一方で、我々のモデルを修正する必要があることを検証し、壮大な解決への道を指し示すこともできる。つまり、確認か解決かということだ。いずれにせよ、我々は負けるわけにはいかない!


この記事は、MATT WILLIAMS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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