宇宙の膨張が「驚くほど早く」止まる可能性、研究者が示唆

2022年5月23日

宇宙の膨張が「驚くほど早く」止まる可能性、研究者が示唆

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わずか1億年後に、宇宙が縮小し始める可能性があることが、新しい研究によって示唆された。

ビッグバンから数億年後の初期宇宙における星形成のイメージ図。(画像出典：NASA）

米国科学アカデミー紀要に掲載された新しい研究によると、約138億年にわたる宇宙のノンストップ膨張の後、宇宙はまもなく停止し、その後ゆっくりと収縮を始める可能性があることが示唆されました。

この論文では、3人の科学者が、過去の宇宙膨張の観測結果に基づいて、宇宙をより速く膨張させていると思われる謎の力「ダークエネルギー」の性質をモデル化することを試みています。研究チームのモデルでは、暗黒エネルギーは自然界の一定の力ではなく、時間の経過とともに減衰する「真髄」と呼ばれる存在であるとされています。

研究チームは、宇宙の膨張が何十億年も前から加速しているにもかかわらず、ダークエネルギーの反発力が弱まっている可能性を発見しました。彼らのモデルによると、宇宙の加速は今後6500万年以内に急速に終わり、その後、1億年以内に宇宙の膨張が完全に止まり、代わりにゆっくりと収縮する時代に入り、今から数十億年後に時間と空間の死、あるいは再生とともに終わる可能性があるとのことです。 

そして、これはすべて「驚くほど」早く起こる可能性があると、ニュージャージー州のプリンストン大学のプリンストン理論科学センターのディレクターである研究共著者のポール・スタインハート氏は言いました。

「6500万年前に遡ると、チクシュルブ小惑星が地球に衝突して恐竜を絶滅させた時です」とスタインハルトはLive Scienceに語った。"宇宙規模で見れば、6500万年というのは、驚くほど短いのです。"

この理論(opens in new tab)について、何も議論を呼んだり、ありえないということはないと、この研究に関与していないブリティッシュ・コロンビア大学の物理学と天文学の教授、Gary Hinshawは、Live Scienceに語っています。しかし、このモデルは過去の膨張の観測だけに依存しているため、また、宇宙におけるダークエネルギーの現在の性質が謎であるため、この論文の予測は現在のところ検証不可能である。今のところ、理論にとどまるしかないのだ。

虚空のエネルギー

1990年代以降、科学者たちは、宇宙の膨張が加速していること、つまり、銀河と銀河の間の空間が数十億年前よりも速く広がっていることを理解してきた。この加速の謎の原因を、科学者たちはダークエネルギーと名付けた。ダークエネルギーは、重力とは逆に働いて、宇宙の最も重い天体を引き寄せるのではなく、より遠くに押し出すように見える目に見えない存在である。


宇宙の質量エネルギーの約70％を占めるとされる暗黒エネルギーだが、その性質はまったくもって謎に包まれている。アインシュタインが提唱した有力な説は、暗黒エネルギーは宇宙定数であり、時空に織り込まれた不変のエネルギーである、というものだ。もしそうだとすると、ダークエネルギーが発揮する力が決して変化しないのであれば、宇宙は永遠に膨張（加速）し続けるはずです。

しかし、過去の宇宙膨張の観測結果と一致させるためには、ダークエネルギーが一定である必要はないという説があります。むしろ、ダークエネルギーは「真髄」と呼ばれるもので、時間とともに変化する動的な場である可能性があるのだ。(スタインハートは、1998年に『Physical Review Letters』誌に発表したこのアイデアを紹介した3人の科学者のうちの1人です）。

宇宙定数とは異なり、クインテッセンスは、ある時間における運動エネルギーと位置エネルギーの比によって、反発することも魅力的になることもある。過去140億年の間、クインテッセンスは反発的であった。しかし、そのほとんどの期間は、放射線や物質と比較して、宇宙の膨張にほとんど寄与していなかったとスタインハート氏は言う。しかし、約50億年前にクインテッセンスが優勢になり、その重力反発効果によって宇宙の膨張が加速されるようになると、状況は一変した。

"我々がこの論文で提起している疑問は、"この加速は永遠に続くのだろうか "ということです。とスタインハート氏は言っています。"そして、もしそうでないなら、どんな選択肢があるのか、そして、どのくらいで事態が変化するのか？"

ダークエネルギーの終焉

スタインハートとその同僚であるニューヨーク大学のアナ・イジャスとプリンストン大学のコスミン・アンドレイは、この研究の中で、今後数十億年の間にクインテッセンスの性質がどのように変化しうるかを予測した。そこで研究チームは、宇宙の膨張に関する過去の観測結果と適合するように、クインテッセンスの物理モデルを作成し、その反発力と吸引力を経時的に表示した。研究チームは、このモデルによって宇宙の膨張史を確実に再現できるようになると、その予測を未来に拡張しました。

"驚いたことに、彼らのモデルにおけるダークエネルギーは、時間とともに減衰しうるのです。「その強さは弱まる可能性があります。そして、もしそれがある方法で行われるなら、最終的にダークエネルギーの反重力的性質は消え、より普通の物質に近いものに移行します。"

チームのモデルによると、ダークエネルギーの反発力は、潜在的に数十億年前に始まった急速な衰退の真っ只中にある可能性があります。

このシナリオでは、宇宙の加速膨張は、現在すでに減速していることになる。そして、今から1億年後くらいには、暗黒エネルギーが強力になり、宇宙全体が収縮し始める可能性があります。つまり、140億年近い成長の後、宇宙は収縮を始めるかもしれないのです。

スタインハート氏は、「これは、私たちが "ゆっくりした収縮 "と呼んでいる、非常に特殊な収縮でしょう。"膨張する代わりに、空間はとてもとてもゆっくりと収縮します。"

最初は、宇宙の収縮は、地球にまだ生きているどんな仮想の人間でも変化に気づかないほどゆっくりだろう、とスタインハートは言いました。研究チームのモデルによると、宇宙が現在の半分の大きさになるには、数十億年のゆっくりとした収縮が必要であるとのことである。

宇宙の終焉？

そこから、2つのうちの1つが起こるとスタインハート氏は言う。宇宙が収縮して大きな「クランチ」を起こし、われわれが知っている時空を終わらせるか、あるいは、宇宙が元の状態に近い状態に戻るのに十分なほど収縮し、再びビッグバン（または大きな「バウンド」）が起こり、古い宇宙の灰の中から新しい宇宙が生み出されるか、だ。

この第2のシナリオ（スタインハートと別の同僚は、『Physics Letters B』誌の2019年の論文で説明している）では、宇宙は膨張と収縮、クランチとバウンスの周期的パターンをたえず繰り返し、崩壊と作り直しを繰り返しているのです。もしそれが本当なら、現在の宇宙は最初の宇宙でもなければ唯一の宇宙でもなく、我々の宇宙以前に膨張と収縮を繰り返してきた無限の宇宙のうちの最新のものに過ぎないかもしれないとスタインハート氏は言う。そして、それはすべてダークエネルギーの変化しやすい性質にかかっているのです。

このようなことは、どれほどの信憑性があるのだろうか？ヒンショウは、この新しい論文のクインテッセンスに関する解釈は、"暗黒エネルギーが何であるかについての完全に妥当な仮定 "であると言った。宇宙膨張の観測はすべて地球から数百万から数十億光年離れた天体から行われているので、現在のデータは宇宙の過去についてしか科学者に情報を与えることができず、現在や未来についてではないと、彼は付け加えています。つまり、宇宙がクランチに向かって突進している可能性は十分にあり、収縮期が始まるずっと後までそれを知る術はないのです。

「この理論にどれだけ説得力があるか、さらに重要なことは、どれだけ検証可能か、ということに尽きると思います」。とヒンショウは付け加えた。

残念ながら、クインテッセンスが実在するかどうか、宇宙の膨張が減速し始めたかどうかを検証する良い方法はない、とスタインハート氏は認めた。今のところ、この理論を過去の観測結果に適合させることが重要なのです。この先、宇宙が果てしない成長を続けるのか、それとも急速に衰退していくのか、それは時間が解決してくれることだろう。

原文はLive Scienceに掲載されています。

ブランドン・スペクター 

LiveScience シニアライター

ブランドンは2017年からLive Scienceのシニアライターで、以前はReader's Digest誌のスタッフライター兼エディターでした。彼の文章は、The Washington Post、CBS.com、Richard Dawkins Foundationのウェブサイトなどに掲載されています。アリゾナ大学でクリエイティブ・ライティングの学士号を取得し、ジャーナリズムとメディアアートを副専攻している。宇宙、地球科学、宇宙の謎について書くのが好き。

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