宇宙は暗黒エネルギーで満たされています。しかし、それは何でしょうか?

宇宙には暗黒面があり、暗黒物質と暗黒エネルギーで満ちています。暗黒物質は銀河の周囲を漂う目に見えない質量で、物理学者は巨大な氷の容器、粒子加速器、その他の高度な技術を使って探査してきました。しかし、暗黒物質の奇妙な兄弟である暗黒エネルギーはどうでしょうか?

ダークエネルギーとは、時が経つにつれて宇宙がどんどん速く膨張する原因となっているものを指す言葉です。今日、宇宙学者が直面している大きな難問は、その「何か」の正体を解明することです。

「ダークエネルギーの特性とその挙動については多くのことが分かっています」とオーストラリアのクイーンズランド大学の教授で天体物理学者のタマラ・デイビス氏は言う。「しかし、それが何なのかはまだ分かっていません。それが大きな疑問なのです。」

ダークエネルギーが存在することはどのようにしてわかるのでしょうか?

天文学者は、宇宙が膨張していることをずっと前から知っていました。1900 年代初頭、エドウィン ハッブルは銀河の運動を観測し、銀河の速度と地球からの距離を関連付けるハッブルの法則を考案しました。しかし、20 世紀末、遠く離れた銀河で新たに超新星が検出されたことで、宇宙の膨張は一定ではなく、むしろ加速しているという難問が明らかになりました。

「宇宙が加速しているという事実は、私たち全員を驚かせました」とテキサス大学オースティン校の天体物理学者キャサリン・フリーズ氏は言う。「重力の引力とは異なり、ダークエネルギーは、物体同士をどんどん引き離すような、ある種の反発作用を生み出すに違いありません」とフリーズ氏は付け加える。

1990 年代以降の多くの観測により、宇宙が加速膨張していることが確認されている。遠方の銀河で爆発する星は、着実に膨張する宇宙では本来あるべきよりも暗く見える。宇宙マイクロ波背景放射 (宇宙の歴史における最初の明瞭な瞬間からの残留光) でさえ、ダークエネルギーの影響の痕跡を示している。 観測された宇宙を説明するために、暗黒エネルギーは宇宙論の数学的モデルの必須要素です。

[関連: 暗黒物質はこれまで誰も殺したことがない、科学者はその理由を知りたい]

ダークエネルギーという用語は、1998 年に天体物理学者マイケル ターナーによって、ダーク マターの命名法に合わせて造られました。この用語は、宇宙の加速膨張が重大な未解決問題であることを示しています。当時の多くの科学者は、アルバート アインシュタインの宇宙定数 (数学をうまく機能させるために一般相対性理論に組み込んだ「ごまかし係数」で、ラムダとも呼ばれる) がダークエネルギーの完璧な説明であると考えていました。なぜなら、この定数は彼らのモデルにうまく適合したからです。

「そんなに単純なことではないというのが私の信念でした」と、現在カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の客員教授であるターナー氏は言う。同氏は加速膨張する宇宙を「最も根深い問題」であり「科学界最大の謎」だと考えている。

ダークエネルギーはなぜ重要なのでしょうか?

ラムダCDMモデルは、私たちが住む宇宙は、これまで見たり触れたりしたすべての物質であるわずか5%の通常物質と、27%の暗黒物質、そしてなんと68%の暗黒エネルギーで構成されているとするもので、「現在の宇宙論のパラダイム」だとイェール大学の天体物理学者ウィル・ティンダル氏は言う。同氏は「かなり野心的に宇宙の歴史のすべてを組み込んで（そして説明して）みようとする」と話す。しかし、暗黒エネルギーの性質など、まだ説明されていないことも多い。「結局のところ、私たちが住む宇宙の68%を占めるとされるものについて、どうして私たちはこれほど理解が浅いのでしょうか」とティンダル氏は付け加える。

ダークエネルギーは、宇宙の最終的な運命を決める大きな要因でもあります。宇宙はビッグリップで引き裂かれ、すべてが原子ごとにばらばらになるのでしょうか。それとも、静かに終わるのでしょうか。

これらのシナリオは、ダークエネルギーが時間とともに変化するかどうかによって決まります。ダークエネルギーが単なる宇宙定数で変化しない場合、私たちの宇宙は永遠に非常に孤独な場所へと拡大します。このシナリオでは、私たちの地元の銀河団の外側にあるすべての星は、赤すぎて検出できず、私たちには見えなくなります。

ダークエネルギーが強くなれば、ビッグリップと呼ばれる現象が起こるかもしれない。ダークエネルギーが弱まり、宇宙が再び収縮し、新たなビッグバンでサイクルが繰り返されるかもしれない。物理学者は、ダークエネルギーの性質をよりよく理解するまで、これらのシナリオのどちらが将来起こるかを知ることはできないだろう。

ダークエネルギーとは実際何なのでしょうか?

暗黒エネルギーは、宇宙の数学ではアインシュタインの宇宙定数として登場しますが、宇宙の膨張が加速する物理的な原因を説明するものではありません。有力な理論は、真空エネルギーとして知られる量子力学の奇妙な特徴です。これは、粒子とその反粒子のペアが急速に現れたり消えたりするときに生成されますが、これはほぼどこでも常に起こっています。

これはダークエネルギーの素晴らしい説明のように聞こえる。しかし、大きな問題が 1 つある。科学者が測定する真空エネルギーの値と理論から予測される値は、説明のつかないほど大きく異なるのだ。これは宇宙定数問題として知られている。別の言い方をすれば、素粒子物理学者のモデルでは、私たちが「無」と考えるものには何らかの重さがあるはずだと予測されている、とターナー氏は言う。しかし測定すると、その重さはごくわずか、あるいはまったくないことが判明した。「無は無の重さなのかもしれない」とターナー氏は言う。

[関連: 野心的なダークエネルギー実験がアリゾナで開始されました]

宇宙学者は長年にわたり、ダーク エネルギーについて別の説明をしてきました。その 1 つである弦理論は、宇宙は小さな弦のような断片でできており、私たちが目にするダーク エネルギーの値は、さまざまなマルチバース内の 1 つの可能性にすぎないと主張しています。多くの物理学者は、この理論は人間中心的であると考えています。つまり、宇宙定数の値が他の値である宇宙には存在できないため、他の値と比べて外れ値であっても、この値にたどり着いたというわけです。

他の物理学者たちは、アインシュタインの一般相対性理論の方程式を全面的に変更することを検討したが、それらの試みのほとんどは、LIGO の先駆的な重力波観測の測定値によって却下された。「要するに、素晴らしい新しいアイデアが必要なのです」とフリーズ氏は言う。

科学者たちはこの謎をどうやって解くのでしょうか?

宇宙の新たな観測は、天体物理学者がダークエネルギーの特性をより詳細に測定するのに役立つかもしれない。たとえば、天文学者は宇宙の膨張が加速していることをすでに知っているが、その加速は常に同じだったのだろうか？この質問の答えが「いいえ」であれば、ダークエネルギーは一定ではなかったことを意味し、世界中の物理学理論家たちは新しい説明を見つけようと奮闘し、人生が一変することになるだろう。

アリゾナ州キットピーク天文台では、ダークエネルギー分光装置（DESI）として知られるプロジェクトがすでに進行中だ。この取り組みは、宇宙地図作成によって宇宙の加速変化の兆候を探すものだ。「宇宙の上に方眼紙を敷き、宇宙が時間とともにどのように膨張し加速してきたかを測定するようなものです」とデイビス氏は言う。

今年の夏に打ち上げられる欧州ユークリッド計画など、さらに多くの実験が予定されています。ユークリッドは、100億光年離れた銀河の地図を作成します。つまり、100億年前まで遡るのです。この計画は、「宇宙の膨張を加速させる上で暗黒エネルギーが重要な役割を果たした全期間」であると、同計画のウェブサイトには記されています。CHIME などの電波望遠鏡は、少し異なる方法で宇宙の地図を作成し、水素が宇宙空間にどのように広がっているかを追跡します。

しかし、新たな観測ですべてが解決するわけではない。「たとえダーク エネルギーの特性を無限の精度で測定しても、それが何なのかはわかりません」とデイビス氏は付け加える。「本当に必要なブレークスルーは理論的なものです」。天文学者には新しい実験のタイムラインがあり、実験は前進し続け、より優れた測定結果が記録される。しかし、理論的なブレークスルーは予測不可能で、1 年、10 年、あるいは 100 年以上かかることもある。「科学において、真のパズルはほとんどありません。真のパズルとは、答えが本当にわからないことを意味します」とターナー氏は言う。「そして、ダーク エネルギーはその 1 つだと思います」。