宇宙・地球

ダークエネルギーとは?発見から研究最前線まで

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宇宙の96%を占めるという、ダークマターとダークエネルギー。どんなに優れた望遠鏡を使用しても、これらの姿を見ることはできず、その正体も明らかにはなっていません。

そして、ダークマターは宇宙に星や銀河が誕生する種となったと考えられており、ダークエネルギーはこれからの宇宙の運命を握る鍵として注目を集めているのです。

宇宙最大の謎とも言われている未確認のエネルギー・ダークエネルギーについて紹介していきます。

 

ダークエネルギーの発見

現在、宇宙は膨張し続けていることが分かっています。この膨張は、宇宙が誕生した直後に起こった急激な膨張の名残だと考えられています。

宇宙の膨張が判明した当初、この膨張は宇宙に存在する物質の重力によってブレーキがかかり、その速度は徐々に減速していくものと考えられていました。

引用元:https://www.universetoday.com/

ところが、1998年にこの予想を覆す観測結果が発表されたのです。アメリカのソール・パールムッター博士とオーストラリアのブライアン・シュミット博士グループが、それぞれ個別に、宇宙の膨張が減速しているどころか、加速し続けていることを発見しました。

そして、その奇妙な現象を引き起こしている“何か”を“ダークエネルギー”と呼ぶようになったのです。

 

どうして宇宙が加速膨張していると分かったのか?

宇宙が膨張し続けており、しかもその速度が加速しているということが、どうして明らかになったのでしょうか?それを確かめるためには、過去から現在に至るまでの“宇宙の膨張の仕方”を明らかにする必要がありました。

引用元:https://www.natureasia.com/

それを明らかにするのに役立つ天体が“Ⅰa型超新星”と呼ばれる天体です。Ⅰa型超新星とは、白色矮星(太陽の8倍以下の質量を持つ恒星が燃え尽きた晩年の姿)が起こす大爆発です。

この白色矮星は、大爆発を起こすときの重さがほぼ一定となります。そのため、Ⅰa型超新星であれば、宇宙のどこにあるものでも、明るさが等しくなるのです。

このⅠa型超新星までの距離と、爆発が発生した当時の宇宙の大きさの情報がそろえば、宇宙の膨張の仕方を解明することができます。

そして、宇宙の大きさに関してはⅠa型超新星の色の変化(正確には光の波長の変化)を測定することで、確かめることができるとされます。

音源が近づいてくると、波の山と山の間隔が詰まって波長は短くなり、音源が遠ざかると、波の山と山の間隔が引き延ばされて波長は長くなる。この“ドップラー効果”の現象は、音波だけではなく、光の波にも起こります。

天体が発する光を観測すると、光源である天体が観測者に近づく時は、光の波長が短くなって青色寄りに変化し(青方偏移)、逆に天体が観測者から遠ざかった時には、光の波長が引き延ばされて赤色寄りに変化します(赤方偏移)。

つまり、宇宙が膨張するとⅠa型超新星の光も、地球に届くまでに引き延ばされることになるのです。そして、光の波長の伸びは宇宙の大きさの変化によって引き起こされるため、波長がどれだけ伸びたかを調べれば、Ⅰa型超新星が爆発した当時の宇宙の大きさが分かるのです。

このような方法でⅠa型超新星をたくさん観測することで、様々な時間における宇宙の大きさを調べて行くと、宇宙の膨張の歴史をたどることができます。

パールムッター博士のグループも、シュミット博士のグループも、この方法で観測を重ねるうちに、宇宙の膨張は加速しているという結論にたどり着いたのです。

現在の研究結果によると、およそ70憶年前までは宇宙の膨張は減速していたものの、その後加速するようになったということも分かっています。

 

ダークエネルギーの存在を示す根拠

ダークエネルギーは観測ができないため、存在の根拠となるような証拠を探す必要があります。超新星爆発の観測を含め、ダークエネルギーの証拠はどれも間接的なものであり、これらの観測事実が、ダークエネルギーの存在の決め手となるわけではありません。

しかし、これらの証拠を総合的に証明するためには、ダークエネルギーの存在を持ち込むことが、最もシンプルで合理的とされています。

ダークエネルギーの存在を示唆する根拠として、宇宙の加速膨張以外に挙げられるのが、宇宙空間がスカスカ過ぎるという観測事実です。

引用元:https://www.nasa.gov/

宇宙には、様々な方向からやってくるほぼ均一な弱い光が存在します。この“宇宙背景放射”と呼ばれる光は、宇宙誕生から約38万年後という、およそ137憶年という宇宙の歴史の中で、ごく初期に発せられたものと考えられています。

宇宙背景放射は、どの方向からもほぼ均一にやってくるのですが、ごくわずかなムラがあると予測されています。

上の画像は、NASAのWMAPと呼ばれる観測衛星によって詳細に捕らえられた宇宙背景放射のムラの様子です。ムラは天球上のまだら模様として浮かび上がっており、このまだら模様の大きさを、理論的に計算することも可能だと言います。

このまだら模様の見かけの大きさは、宇宙空間を宇宙背景放射が進んでくる結果、変化してしまう場合もあるとされます。光の進路は、宇宙空間にどのくらいの物質とエネルギーが詰まっているのかによって、曲げられてしまうことがあるからです。

一方、宇宙空間に物質とエネルギーがぎっしりと詰まっている場合、宇宙空間そのものが凸レンズのような働きをして、まだら模様は理論予測より大きく見えます。

そして、宇宙空間が凹レンズでも凸レンズでもなく、光が真っすぐに進めるような密度の場合は、まだら模様の大きさは、結論予測の通りに見えるとされます。

この場合の宇宙を“平坦な宇宙”と呼ぶのですが、実際に観測されたまだら模様の大きさは、宇宙がほぼ“平坦”であることを示していました。しかし、実際の宇宙に、星や銀河、その材料となっているガスの他に、ダークマターまで加えたとしても、宇宙を“平坦”にするには物質が足りていないのです。

それどころか、現在知られている宇宙の構成材料を全て足しても、宇宙を“平坦”にするのに必要な密度の3割程度にしかならないと言います。

では、残りの7割は何が占めるのかというと、正体不明の何か、つまりダークエネルギーと考えられているのです。

WMAPの観測結果は、ダークエネルギーの存在を超新星の爆発とは別の角度から、あぶりだしたものと考えられています。このWMAPの詳細な観測結果によると、宇宙の成分の内訳は、通常の物質が4%、ダークマターが約23%、ダークエネルギーが約73%だと言います。つまり、宇宙のほぼ大半を占めるのが、ダークエネルギーというわけです。

 

アインシュタインはダークエネルギーを予言していた?

現在までのところ、宇宙スケールの空間を扱うことができる物理学は、アルバート・アインシュタイン(1879年~1955年)によって打ち立てられた“一般相対性理論”のみです。

アインシュタインが一般相対性理論を発表したのは、1915年のことです。この一般相対性理論に従って、宇宙空間の在り方について計算してみると、宇宙は膨張するか、あるいは収縮するという結論が導かれました。

しかし、アインシュタイン本人は、宇宙を一定の大きさに保つには、宇宙にある物質の重力(引力)とつりあう“斥力(遠ざけあう力)”が必要だと考えたのです。そして、一般相対性理論の数式に“宇宙項(宇宙定数)”と呼ばれる、斥力の役割をする項を付け加えました。

宇宙の膨張が確認されたのは、1929年です。宇宙の大きさは一定ではないと判明した以上、宇宙の大きさを一定に保つために導入した宇宙項を、そのまま残しておくことは不自然となります。

こうしてアインシュタインは、宇宙項を撤回しました。当時は宇宙が膨張しているのか、加速しているのかわかってはいませんでしたが、宇宙が減速膨張しているのなら、宇宙項は不要なものです。この頃は多くの科学者が、宇宙は減速膨張していると考えていたため、宇宙項が取り外されることが自然だったのです。

しかし、20世紀になって、大半の科学者の予想に反して、宇宙の膨張が加速していることが確認されました。これは、つまり膨張を加速させる“何か”が存在するということに繋がり、アインシュタインの宇宙項も復活を遂げたのでした。

この復活した宇宙項にあたるものが、ダークエネルギーに相当すると考えられており、既に20世紀の初めにダークエネルギーの存在は予言されていた、とも言われているのです。

 

ダークエネルギーの性質

ダークエネルギーには、斥力と密度が一定しているという変わった特徴が存在します。ここでは、ダークエネルギーの変わった性質について、それぞれ紹介していきます。

 

斥力

ダークエネルギーは引力の正反対の性質、つまり引き付ける力を持つのではなく、反発させる性質=斥力を持つと考えられています。

私達に馴染みのある通常の物質は、みな引力を及ぼしています。物を投げれば落ちてくるのは、物と地球とが引き付けあうからであり、私達にとっては、引力を及ぼすものの方が普通と言えるでしょう。

しかし、この点もダークエネルギーは非常に奇妙であり、ダークエネルギーは宇宙の構造の成長を妨げるような働きを持っていると考えられているのです。

このような斥力を持つダークエネルギーが宇宙に満ちているということは、地球のある天の川銀河や太陽系、もっと言えば私たちの体も膨張するのではないか?と、疑問に感じますよね。

私たちが実感できるような膨張現象が起こらないのは、ダークエネルギーが持つ斥力が、非常に弱いからです。

銀河や太陽系、私たちの体などは重力や電気的な力によって結び付けられています。これらの力がダークエネルギーの持つ斥力よりも強いために、膨張することはないとされます。

ただし、重力や電気的な力などが、ダークエネルギーの持つ斥力よりも強いのは、比較的距離の短い間の話であり、銀河の集団同士の間隔よりも遠く離れると、ダークエネルギーの斥力の方が引力を上回ります。

つまり、ダークエネルギーの斥力の影響は、広大な空間において初めて影響が目に見えるようになるのです。

 

密度が一定

斥力を持つという性質以外にも、ダークエネルギーには、いくら宇宙空間が膨張しようとも決して薄まらない、という不思議な性質があると考えられています。

この性質も、私達が知っている通常の物質とは、正反対のものです。例えば、ジュースに水を足せば味が薄まるのと同じように、宇宙が膨張すればする程、通常の物質やダークマターは薄まっていくとされます。しかし、ダークエネルギーだけは薄まることがないのです。

これは、ダークエネルギーが、空間そのものがもともと持っているエネルギーであるからと考えられています。そのため、膨張して空間が広がったとしても、そこには同じ密度のダークエネルギーが存在すると推測されます。

つまり、空間が増えればその分だけ、ダークエネルギーも増えると考えられているのです。

宇宙の初期、ダークエネルギーの量は少なく、その影響もほとんどなかったと推察されています。しかし、約70憶年後には、ダークエネルギーによる斥力が引力を上回り、宇宙の膨張が減速から加速に転じました。

そして、約100憶年後にはダークエネルギーの量が通常の物質とダークマターの量の合計と同程度になり、現在では宇宙に存在する物質とエネルギーの内、73%を占めるに至ったと言います。

 

ダークエネルギーの正体とは?

ダークエネルギーの正体として現在最も有力だと考えられているのが、空間そのものの持つ真空エネルギーである、という説です。

真空とは、一般的な意味では何も入っていない空っぽの空間を指すとされています。しかし、全ての物質やダークマターを取り除いたとしても、その空間は空っぽにはならないのだと言います。

量子論によると、ミクロの世界では、エネルギーの量には必ず“ゆらぎ”が存在すると定義されています。ゆらぎがあるということは、即ちエネルギーを一定にすることはできないということであり、すべての物質を取り除いた空間も、そこに存在するエネルギーはゼロにはならないのです。

そのため、空間ではこのエネルギーのゆらぎをもとに、様々な粒子のペアが生まれたり、消えたりといったことが、ごく短い間に繰り返されていると考えられます。

真空のエネルギーとは、そこに空間があれば必ず存在するものです。そして、これはダークエネルギーの性質と酷似しています。

しかし、現在の理論で真空エネルギーの密度を計算すると、現実の宇宙とつじつまが合わないことも判明しており、ダークエネルギー=真空のエネルギーと片付けることはできません。そのため、ダークエネルギーの正体探しは混迷しているとされます。

 

ダークエネルギーが宇宙の未来を決める?

ダークエネルギーは、過去の宇宙の膨張の歴史を解き明かす鍵です。そして、未来の宇宙の姿を決定する重要な要素でもあると言います。

引用元:https://www.lsst.org/

ダークエネルギーの特性として、密度が一定であるということを紹介しましたが、実は、ダークエネルギーが本当にどんな状況下でも一定の密度を保つのかどうかは分かっていません。

もし、ダークエネルギーの密度が今後、時間の経過とともに変化するようなことがあれば、宇宙の未来の姿はそれによって大きく左右される可能性があるのです。

まず、ダークエネルギーが現在と同じ密度のままなら、宇宙の加速膨張は継続すると予想されます。そして、遠くの宇宙の銀河から順番に、遠ざかる速度が光の速さを上回るようになって、だんだんと視界から消えていくと考えられます。

一方、ダークエネルギーの密度が下がり続けて負になれば、宇宙が膨張から収縮に転じる可能性があるのです。収縮に転じた場合は、宇宙は「最終的には1つの点となって、潰れて終わりを迎えます。これを“ビッククランチ”と呼びます。

また、ダークエネルギーの密度が上がれば、破滅的な膨張が待っていると言われています。遠くにある銀河同士だけではなく。アンドロメダ銀河のような非常に近くにある銀河も引き離され、星々が離れていくことで、銀河としての姿を保てなくなる可能性があるのです。

引用元:https://www.newscientist.com/

さらにダークエネルギーの密度の上昇が高ければ、宇宙に存在するありとあらゆる物質は、引き離されて素粒子レベルまで散り散りになってしまうかもしれないとされます。

この“ビッグリップ”という現象が起きた場合、ダークエネルギーによって、星も、私たちの体も、そして原子でさえも引き離されてしまうと言うのです。

現在、ダークエネルギーの正体が不明であることから、今後どのような振る舞いを見せるのかは分かっていません。ダークエネルギーの密度の変化に関しては、過去の宇宙の膨張を調べる限り、密度は一定であった可能性が高いとされます。

しかし、観測精度があがることで、僅かな密度の変化が見つかる可能性も残されており、ダークエネルギーが宇宙の終わりに関わってくる可能性も否定できないのです。

 

ダークエネルギーの研究の最前線

現在、ダークエネルギーの性質を解き明かすべく、世界各地で研究が進められています。中でも、最高水準のカメラ“HSC”と、分光器“PFS”を搭載する“すばる望遠鏡”には期待が集まっていると言います。

ここでは、ダークエネルギーの謎を解くべく進められている、すばる望遠鏡を用いた最新の研究について紹介していきます。

 

すばる望遠鏡での研究

すばる望遠鏡は、ハワイのマウナケア山頂にある、1999年に観測を始めた光景8mにも及ぶ巨大望遠鏡です。2012年8月に、すばる望遠鏡の新しい主焦点カメラ“Hyper Surprime-Cam(HSC)”に初めて光が入りました。

引用元:https://subarutelescope.org/

新しいカメラは視野が10倍にも広がっており、それによってより広い範囲を鮮明に撮影できるようになったとされます。世界中の地上望遠鏡の中で、これほど高性能なカメラは例がなく、すばる望遠鏡はまさに日本の技術の結晶と呼ぶにふさわしい望遠鏡と言えます。

そして、この主焦点カメラ・HSCを搭載した理由こそが、ダークエネルギーの調査だったのです。

 

HSCでダークマターの分布を調べる

ダークエネルギーの量は、宇宙膨張の歴史を調べるこちで推測できるとされ、この手段の1つとしてとしてダークマターの分布を宇宙膨張に焼き直すという方法が挙げられます。

HSCは遠くて暗い非常にたくさんの銀河の、精密な形状を観察することができると言います。この観測結果を使って、重力レンズ効果から、ダークマターの空間分布を直接調べることができるのです。

重力レンズ効果とは、強い重力を持つものが、まるでレンズのように働いて光を曲げる現象のことです。銀河と地球の間に、ダークマターが大量に存在すると、重力レンズの効果から銀河の光が歪み、地球では銀河の像が二重に見えたり、歪んで見えたりするのです。

そして、この歪んだ銀河の変形量を調べることで、銀河の手前にあるダークマターの分布を推測することができると言います。

 

ダークマターの分布から宇宙の膨張が分かる?

ダークマターの分布は宇宙の進化と共に、一様の状態から、重力の作用でムラがある状態へと変化してきたと考えられています。そして、このダークマターのムラを調べることで、宇宙の膨張の歴史が分かると言います。

宇宙の膨張が速いと、ムラは成長する前に引き延ばされてしまい、ムラができにくくなります。そのため、ダークマターのムラの成長具合を見ることで、宇宙膨張の歴史が分かるのです。

そして、宇宙膨張の歴史が分かれば、そこからダークエネルギーの量を推定することができるのです。

2018年の東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構(IPMU)の発表によると、現在の時点でダークエネルギーの分量にさほどの変化は見られず、宇宙は今後1400憶年は変化なく持続できると推測されています。

 

宇宙地図を作成するSuMIRe計画とは?

宇宙は斥力を持つダークエネルギーと、重力を及ぼすダークマターが、互いに勢力争いをしながら成長してきたと考えられています。

この勢力争いの歴史を調べるために、現在、すばる望遠鏡が役立つとされています。宇宙の姿を撮影する超広視野カメラ・HSCと、銀河までの距離を測る装置、超広視野多天体分光器・PFSを使って、はるか昔から現在に至るまでの、広範囲のダークマターの地図を作成するのです。

宇宙のゲノムを解き明かすとも言われる、このダークマターの地図作りを通して、宇宙の歴史におけるダークエネルギーの変化を明らかにするというのが、“SuMIRe(Subaru Measurements of Images and Redshifts)計画”です。

引用元:https://subarutelescope.org/

 

重力レンズ効果からダークマターの地図をつくる

HSCで撮影した画像では、銀河の形を知ることができます。銀河の形は、宇宙空間にくまなく存在するダークマターの影響を受けて僅かに歪んでいることが判明しており、PFSによる分光観測によって、赤方偏移を正確に測ることができるとされます。

2019年現在、すばる望遠鏡のHSCは銀河サーベイを、PFSは銀河分光サーベイを開始しており、PFSにおける銀河分光サーベイは2022年まで行われる予定となっています。

SuMIRe計画では、この撮影サーベイと分光銀河サーベイを組み合わせて、宇宙の地図の製作を試みます。そして、ダークエネルギーの歴史と分量の変化も、ここからより正確に探ることを期待されています。

 

まとめ

宇宙のなんと70%を占めるとされるダークエネルギーですが、今後の調査結果次第では“存在しなかった”という結果になることも十分考えられると言います。

今後の観測で新たな情報が発見され、一般相対性理論の修正が必要となった場合、ダークエネルギーという概念が無くても、宇宙の加速膨張の説明ができるようになります。

ダークエネルギーが存在した場合には、地球、そして宇宙全体の運命の鍵を握ると言われています。一方で存在しない“幻のエネルギー”であることが分かった場合は、現在の物理学を大きくステップアップさせる可能性を秘めていると言われているのです。



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