宇宙論について考える－宇宙に終焉はあるのか？ （3）

さて、『宇宙の謎』というテーマで、Part-1は”膨張を続ける宇宙”というサブテーマから入り、Ia型超新星の研究による宇宙の膨張速度の観測、そして宇宙論の歴史を見ました。

 

Image credit: Volker Springel,Max-Planck Institute for Astrophysics

そしてPart-2では、ルネッサンスの天文学を回顧し、ニュートンの古典力学からアインシュタインの一般相対性理論に端を発する現代の宇宙論にまでたどり着き、ビッグバン理論まで見ました。

で、今回は、そのもっとも複雑（？）なビッグバン理論の問題点について少々勉強してみます。

 

ビッグバン理論の問題点

1.　宇宙の起源（特異点の問題）

　宇宙の起源の問題は、特異点の問題とも呼ばれます。ビックバンはある一点から始まり、時間の経過とともに宇宙は膨張していったというのが現在主流の宇宙論なのですが、このある一点は「特異点」と呼ばれ、無限の密度と温度を持った空間で、その曲率も無限であるという、何とも不理解なモノです。 この「特異点」という概念は、現在の物理法則が全て破綻してしまう思考法であり、”物理法則の破綻”という点から宇宙が始まったとするのは大きな無理があるわけです。つまり、ビッグバン理論は現在の宇宙をきわめてよく説明してはいるのですが、理論そのものには大きな矛盾があり、それゆえ、物理学者たちの間でも広く受けいられているモデルではないのです。ここで重要なのは、「この宇宙はなぜ始まったのか？」という大テーマでしょう。

 

ビッグバン理論の動画（英語です）

　       

2.　宇宙の地平線問題

宇宙背景放射が方向によらず一様であるという観測事実と膨張宇宙論との間にある矛盾の問題です。　宇宙はどこでも一様であり、巨視的に見れば宇宙のどんな場所でも温度や密度はほぼ一様となっています。温度や密度がほぼ一様であるということは、宇宙全体で一つの因果関係が成り立ってるということですが、ところが、ビックバンの発生から10万年経つまでは光は宇宙を通れなかった。このときの宇宙の大きさは1500万光年ほどだったので、宇宙の晴れ上がり（ビッグバン理論において宇宙の始まり以来、初めて光子が長距離を進めるようになった時期を指す）にしたがって光が移動可能となってたとしても、1500万光年離れた場所では因果関係が成立しないため、結果として宇宙は一様ではなくなります。 　

単純に考えると、宇宙の晴れ上がり後1年で因果関係が成り立つ範囲はわずか1光年です。この1光年の範囲から外は光が到達していないことになります。したがって、それ以外の領域はおたがいに因果関係をもたないことになり、温度や密度にも差が出来ると考える方が自然です。これを「地平線問題」と言います。宇宙の地平線の向こう側では何が起こっているか知り得ないので、因果関係が成り立たないということです。

ビッグバン+インフレーション理論による宇宙の歴史

この問題を別の角度から説明すると、周知のように自然界で最も速い速度は光速度（毎秒30万キロ）であり、それ以上速い速度での情報の伝達は、特殊相対性理論によればあり得ません。一方、宇宙に始まりがあったということは、宇宙が始まって以来、互いに情報伝達を行い得た領域、つまり因果的領域の大きさが有限であり、それは光速度でしか広がらないことを意味します。このことは宇宙の正反対方向の地平線上に見えてくる二つの現象は、その時まで互いに因果的にまったく無関係であったことを意味しているのです。たとえば、宇宙の南天と北天のそれぞれの方向からくる３Ｋの背景輻射を考えると、物質の相互作用の伝播速度が光速度を超えること決してない、という物理的因果律のため、それぞれの光が発せられた領域は現在までに互いにまったく因果関係（干渉）を持ち得なかった領域であり、それらの光は現在我々のいる地点で初めて出会った、つまり因果的に関係を持てたことを意味しています。　それにもかかわらず、あたかもそれらの光が申し合わせたように同じ温度・強度を持っているのは何故か？　という疑問が生じてくるのです。（『現代宇宙論の最前線』より）

この矛盾を解消する目的で考えだされたのがインフレーション宇宙論と呼ばれるもので、これによると、宇宙創成のごく初期に物理的相関があった小領域が地平線を越えて急激に膨張したと仮定することで、この矛盾の解決を意図しています。


3.　宇宙の平坦性の問題

膨張宇宙では、宇宙内部に含まれる物質やエネルギーによって作られる重力場によって宇宙膨張が減速を受ける傾向にあります。宇宙に十分多くの質量が存在すれば、膨張は最終的には止まり宇宙は収縮に向かい、ビッグクランチと呼ばれる特異点に達します。このような宇宙の時空は正の曲率を持ち、「閉じた宇宙」と呼ばれる。それほど多くの質量がなければ、宇宙は単純に永遠に膨張を続けることになります。このような宇宙の時空は負の曲率を持ち、「開いた宇宙」と呼ばれます。両者の中間、すなわち宇宙の膨張率が0に向かって漸近するような宇宙は曲率0の時空を持ち、「平坦な宇宙」と呼ばれます。

閉じた宇宙、開いた宇宙、平坦な宇宙の3モデル

　現在の宇宙のエネルギー密度の測定結果から考えると、宇宙が生まれた直後にはエネルギー密度が10¹⁵分の1の精度で臨界密度に等しくなっていた必要があります。これより少しでも外れた値だった場合には、宇宙は急激に膨張してしまうか、あっという間にビッグクランチ（宇宙自身の持つ重力によって膨張から収縮に転じ、全ての物質と時空は無次元の特異点に収束するとする説）を迎えてしまい、現在存在するような宇宙にはならないことになります。

ビッグクランチ理論

アレクサンドル・フリードマン

現在の宇宙が非常に平坦である理由を問うもので、フリードマン宇宙の場合、平坦でない宇宙であれば時間とともに平坦性からのズレはますます増大していきます。とすれば、100億年以上も経った現在の宇宙が平坦に近いのは、宇宙初期の平坦性からのズレが極端に小さかったと考えざるを得ません。そのような微調整がなされたとは考えにくいから、最初から平坦な宇宙が作られたと考える方が矛盾がないわけです。

しかし、平坦性の問題もインフレーション宇宙理論（ビッグバン理論のいくつかの問題を一挙に解決する初期宇宙の進化モデル）によって解決されます。インフレーション宇宙論では、宇宙が生まれた直後に宇宙のサイズが指数関数的に膨張し、したがって、最初の宇宙が平坦でないどんな曲率を持っていたとしてもこのようなインフレーションの過程によって極端に引き伸ばされて平坦化され、宇宙の密度は自然に臨界密度にほぼ一致する値をとることが可能になるとしています。


ビッグバンに関連する宇宙年表

1905年 アルベルト・アインシュタインは特殊相対性理論を提唱し、空間と時間とが切り離して考えることが出来ない連続体だと位置づけた。
1915年 アルベルト・アインシュタインは一般相対性理論を提唱し、エネルギー密度は時空を歪めることを示した。
1917年 ウィレム・ド・ジッターは宇宙定数がある等方的な宇宙模型を導いた。また、宇宙定数があり物質のない膨張宇宙模型を導き、ド・ジッター宇宙と名づけた。
1922年 ヴェスト・スライファーは渦巻銀河の系統的な赤方偏移についての彼の発見をまとめた。
1922年 アレクサンドル・フリードマンは一般的に膨張する宇宙を示すアインシュタイン方程式の解を発見した。
1950年 フレッド・ホイルがルメートルの膨張宇宙論を嘲笑する意図でビッグバンという言葉を創りだした。
1965年 ベル研究所のアーノ・ペンジアスとロバート・W・ウィルソンは2.7Kのマイクロ波背景放射を発見した。
1966年 スティーヴン・ホーキングとジョージ・エリスはもっともらしい相対論的宇宙は特異点を持つことを示した。
1967年 Jim Peeblesが熱いビッグバン模型がヘリウム存在量を正しく予言することを示した。
1969年 Charles W. Misnerはビッグバンの地平線問題を提唱した。
1969年 ロバート・H・ディッケはビッグバンの平坦性問題を提唱した。
1973年 Edward Tryonは宇宙は巨大なスケールの量子力学的な揺らぎであり、正の質量エネルギーが負の重力ポテンシャルエネルギーとつり合っていると提案した。
1981年 Viacheslav Mukhanov と G. Chibisovが量子的な揺らぎが大規模なインフレーションを導くことを提唱した。
1981年 佐藤勝彦、アラン・グースがインフレーションビッグバン模型を提唱した。それは地平線問題と平坦性問題を解決できるものであった。
1999年 宇宙マイクロ波背景放射線の測定(BOOMERanG実験等)により、宇宙の構成についての標準理論から期待される非等方角スペクトルの振動(ピーク)が検出された。それらの結果は宇宙の形は平坦であることを示していた。また巨大な距離の構成情報から宇宙定数が0ではないことも示唆するものであった。

宇宙マイクロ波背景放射を詳しく観察したCOBE探査機

1990年 アメリカ航空宇宙局のCOBEによって観測された結果は、宇宙マイクロ波背景放射のゆらぎは極めてわずかなもので、背景放射の平均温度である 2.73 K の 10万分の1というもので、宇宙マイクロ波背景放射のゆらぎは初期宇宙に存在した密度差の痕跡であり、この密度のさざ波が、今日観測される銀河団や広大なボイドの元となる構造形成を引き起こしたと考えられた。
2003年 NASAのWMAPが宇宙マイクロ波放射線について全天について詳細な図を得た。画像は宇宙が1パーセントの誤差で137億年であることを示していた。これは宇宙論パラメータの理論とインフレーション理論を裏付けた。

ビッグバン理論に関し、初期の高温状態の宇宙については、宇宙創生から約10-33秒後から始まったビッグバンによってうまく説明されますが、いくつかの問題もあります。
インフレーション宇宙の背後にある物理モデルは非常に単純ですが、これはまだ素粒子物理学の側面からは検証されておらず、インフレーションと量子場理論の両立には困難な問題が存在しているのです。宇宙論研究者の中には、ひも理論やブレイン宇宙論（我々の認識している4次元時空の宇宙は、さらに高次元の時空（バルク）に埋め込まれた膜（ブレーン）のような時空と考える宇宙モデル）がインフレーションに代わる解決策を提供すると考えている研究者もいます。

ダークマター、ダークエネルギー、そしてバリオン

ダークマター

宇宙が膨張し続けており、それも加速しつつあるということはPart1の冒頭で書きました。
そして、『超新星の観測で宇宙の膨張加速』を確認した3人の物理学者が2011年にノーベル賞を受賞したことも。
この宇宙の膨張加速にせよ、銀河の動きにせよ、その背後にはダークアネルギーと呼ばれる"仮想的なエネルギー”が存在することが推定されています。
そもそも、ダークアネルギーの存在が議論されるきっかけとなったのは、1930年台初頭に始まった銀河団の観測によって、銀河団の中の銀河がそれぞれ非情な速度で動いているにもかかわらず、どれ一つとして銀河団の集団の中から飛び出すことなく、かたまった状態を維持していることが観測されたことです。銀河同士がバラバラに離れず、集団を維持し続けるためにはそれ相応の重力で引き合う必要があるのですが、可視光線観測から算定される質量（光度質量）と銀河団の中の銀河の速度から算定される質量（重力質量）が一致しないことから、何か目に見えない物質があると考えられたのです。

かみのけ座銀河団。ツビッキーは銀河団を調査してダークマターを仮定した

Credit: Wikipedia

米国の天文学者フリッツ・ツビッキーは、銀河団の全質量をその周縁の銀河の運動に基づいて推定し、その結果を銀河の数および銀河団の全輝度に基づいて推定されたものと比較したのです。その結果、ツビッキーは光学的に観測できるよりも400倍もの質量が存在することを発見したのです。この”見えない物質”をミッシング・マス－missing massと名付けたのですが、その後、1970年代にヴェラ・ルービンによる銀河の回転速度の観測により、光学的に観測できる物質の約10倍もの物質が存在する（注：銀河の輝度分布と力学的質量分布の不一致は銀河の回転曲線問題と呼ばれる）という結果が出て、ミッシング・マスはダークマター（暗黒物質）と呼ばれるようになったのです。

ダークエネルギー

宇宙の全物質の約75％はダークエネルギーで占められていることが、これまでの観測結果から判明しています（注：2013年3月、欧州宇宙機関は、による観測の結果、宇宙の質量及びエネルギーに占めるダークエネルギーの割合は68.3%であると発表）。 2010年4月、オランダ・ライデン天文台の研究チームが、COSMOSプロジェクト（Cosmic Evolution Survey）で観測し続けているCOSMOSフィールドと呼ばれる領域に存在する44万6000個の銀河の観測データを分析した結果、時間（数十億年単位）をさかのぼるほど、より多くのダークマターが検出されました。さらに研究チームでは、得られた物質の分布を、2つのシミュレーション結果と比較。1つは、ダークエネルギーに支配された宇宙における暗黒物質、もう1つは、通常の物質に支配された宇宙における暗黒物質です。

その結果、ダークエネルギーに支配されているモデル（の統計的な特徴）が、COSMOSフィールドの実際の観測結果と一致し、この宇宙の膨張がダークエネルギーによって加速していることが確認されたのです。（ハッブル宇宙望遠鏡公式サイト）

COSMOSフィールドにおける物質（主に暗黒物質）の分布図

Credit: NASA, ESA, P. Simon (University of Bonn) and T. Schrabback (Leiden Observatory)

つまり、宇宙の膨張を加速させている原動力は、重力に逆らって物を引き離すダークエネルギーであり、ダークエネルギーは宇宙の未来を支配する力を持つと言っても過言ではないわけです。
ダートマス大学のロバート・コールドウェルによれば、ダークエネルギーが加速度的に増える場合の宇宙の未来を予測。その結果は、宇宙の最後は、空間は無限の大きさになり、銀河や星、さらには原子までもがバラバラに引き裂かれ、構造のない空っぽの宇宙が残されるというものでした。これがビッグリップと呼ばれる宇宙の結末予想です。
また、最終的にはダークエネルギーは時間とともに散逸し、宇宙は互いに引き合うようになるかも知れないという予測もあります。このような不確定性があるために、やはり重力が宇宙を支配し、やがては宇宙が自ら潰れる（すでに前述した）ビッグクランチに至るという可能性も残されているわけですが、しかしこの説は一般的には最も可能性の低いシナリオだと考えられています。

バリオン非対称性の問題

宇宙論におけるもう一つの大きな問題に、宇宙には物質が反物質よりも多く含まれているという問題があります。宇宙論研究者は宇宙のX線観測によって、我々の宇宙は物質と反物質が占める領域に分かれているのではなく、圧倒的大部分が物質でできている、と推定しています。この問題はバリオンの非対称性と呼ばれ、このような非対称性が生まれた過程はバリオン数生成と呼ばれます。バリオン数生成の理論は1967年にアンドレイ・サハロフによって唱えられ、バリオンと反バリオンの非対称性が生み出されるためにはCP対称性と呼ばれる素粒子物理学の対称性が物質と反物質について破れていることが必要とされています。しかし現在の加速器実験では、CP対称性の破れの測定値はバリオンの非対称を説明するには小さ過ぎることが分かっています。宇宙論研究者と素粒子物理学者は、初期宇宙に存在した別のCP対称性の破れがバリオン非対称を説明するかもしれないと考えています。

バリオン数生成の問題とインフレーション宇宙の問題は共に素粒子物理学と深く関係しており、その解決は宇宙の観測よりも高エネルギー物理学の理論や実験（CERNなど）からもたらされるかも知れません。

 あとがき

　奇しくもこの記事を締めくくりつつある時に、高エネルギー加速器研究機構、京都大、東京大など11カ国の国の研究員で構成される国際チームが、7月19日、素粒子のニュートリノが「ミュー型」から「電子型」に変化する現象を世界で初めて発見したと発表がされました。
この現症は「ニュートリノ振動」と呼ばれるもので、観測が難しく未確認だったニュートリノの最後の１通りの変化を実験で確認したもので、Lobyがすでに述べたように、”宇宙の誕生で決定的な役割を果たしたとされる物理現象「CP対称性の破れ」を解明する重要な鍵”となる成果だ注目されています。
ニュートリノは電子型、ミュー型、タウ型の3種類があり、おたがいに別の型に変化し続けています。ミュー型から電子型への変化は、実験で確認可能な変化のパターン４通りの中で唯一未確認だったもので、2011年に国際チームが発見の兆候をとらえ、2012年に中国などのチームも間接的な方法で確認したと発表するなど、熱心な研究が続いてきていました。

TK2実験のスキーム図（credit:高エネルギー加速器研究機構）

この実験は、日本原子力研究開発機構(JAEA)と大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(KEK)が茨城県東海村で共同運営する大強度陽子加速器施設J-PARCのニュートリノ実験施設を使って行われたもので、同装置はミュー型ニュートリノを人工的に作り出すことができます。 大強度陽子加速器施設「J-PARC」（5月の放射能漏れ事故で現在停止中）で作られた大量のミュー型ニュートリノは、約295キロ離れた東京大学宇宙船研究所の観測装置「スーパーカミオカンデ」へ向けて発射され、旧神岡鉱山の地下水槽（直径、高さ各40メートル）で、ニュートリノが水中を通る時に発するかすかな光（チェレンコフ光）を検出し、到着までに電子型に変化する割合を調べていました。
　実験は東日本大震災による施設被災で一時中断したが、10月から今年4月の期間に神岡で532個のニュートリノを検出し、うち28個が電子型と判明。日本列島の地下を横断するうちに電子型に変化したものを99・9999％以上（1兆分の1以下）の確率で他起源のものと区別することができたため、「電子型ニュートリノ出現現象」が確実に起こっていることが世界で初めて実証されたのです。
　同機構の小林隆教授は「最後まで未解明だったニュートリノ振動が明らかになり『ＣＰ対称性の破れ』探索の可能性が開けた。さらに10倍ほど実験データを蓄積し、精度を高めたい」と話している。

スーパーカミオカンデ　（credit:高エネルギー加速器研究機構）

ニュートリノ振動は、ニュートリノが長距離を飛行するうちに現れる量子力学的な干渉の効果によって、その種類（世代とも呼ばれる）が変わってしまう、という現象です。今回のミュー型ニュートリノから電子型ニュートリノへの振動が発見されたことは、粒子(物質)と反粒子(反物質)とで適用できる物理法則が異なるCP対称性の破れに関する研究を、今後大きく進展させるものとして注目されます。CP対称性の破れは、これまでのところクォークでしか見つかっておらず、その発見・研究に対して、1980年と2008年にノーベル物理学賞が授与されています(2008年には小林誠・益川敏英博士が受賞)。

参照：高エネルギー加速器研究機構

 

《　続く　》

　

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