ビッグバンの重要な部分は依然として解明されていない

すべては爆発とともに始まりました。想像を絶するほど短い一瞬の間に、初期の宇宙は想像を絶する速さで膨張しました。一瞬のうちに、不完全さのくぼみが宇宙の傷跡となり、今日私たちが経験している宇宙、つまり銀河、星、惑星、そして人間で満たされた環境の中に閉じ込められました。

インフレーションとして知られるこの起源の物語を裏付ける状況証拠は圧倒的だ。このことは、インフレーションがどのような形で起こったかについて、一世代の宇宙学者に論文を書いたり、授業をしたり、教科書を出版したりするきっかけとなった。しかし、決定的な証拠はいまだにつかめていない。時空の古代のさざ波が空に特別な痕跡を残したはずだが、その探求は繰り返し不十分な結果に終わっている。

BICEP/ケック共同研究として知られる天文学者のグループが、こうした「原始重力波」の探索を先導している。研究者らは月曜日、地球上で最も過酷な場所の一つで何年もかけて苦労して得た成果である最新の研究結果を発表した。今回も、彼らは探査対象物の痕跡は発見できなかった。膨張する宇宙が重力波で反響したとすれば（ほとんどの宇宙学者が今でもそうであると確信しているが）、それはかなり微妙な形で起こったに違いない。

「最も単純なフレーバーについては、現時点では除外しています」とミネソタ大学の天体物理学者で、BICEP/ケック共同研究チームのメンバーであるクレム・プライク氏は言う。「[この結果は]これまで非常に人気があったインフレーション理論を覆すものです。」

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最初の瞬間

宇宙最古の光は、宇宙が透明になるほど冷えて以来、130億年以上にわたって宇宙を流れ続けています。天文学者はこの「宇宙マイクロ波背景放射 (CMB)」を正確にマッピングし、宇宙が全体的に驚くほど均一であったこと、そして今もそうあり続けていることを知りました。CMB は、宇宙がわずか38万歳だった頃、物質の密度はどこでもほぼ同じだったことを示しています。そして今日、天文学者はあらゆる方向に銀河を観測しています。

しかし、CMB はほんの少しだけ塊状になっており、特殊な方法で塊になっています。密集したスポットと薄いスポットのサイズは、非常に小さいものから非常に大きいものまでさまざまです。今日、私たちは単一の銀河からそれらの巨大なメガクラスターまで、関連するパターンを目にしています。

宇宙はどのようにしてこのようになったのか？インフレーション理論は時計の針をさらに巻き戻し、宇宙の最初の0.0000000000000000000000000000000000000001秒の間に、あらゆるサイズの塊がどのように発生したかを説明しようとします。この期間中、極小の宇宙はエネルギーで沸き立ち、量子論が支配的でした。量子の世界では、完全に安定しているものは何もありません。亜原子レベルの揺れにより、インフレーション宇宙に絶えず小さな欠陥が生じ、最終的に光、物質、暗黒物質などになる物質の密度が微調整されました。成長する宇宙はこれらの欠陥を引き伸ばし続け、さらに新しい小さな変動が出現し続け、あらゆるサイズの瞬きを引き起こしました。最終的に、CMBが最終生成物を記録しました。「インフレーションは、まさにそのタイプの塊を自然に生み出します」とプライクは言います。  

欠けているピース

あるいは、そのように言われている。インフレーションは、天文学者が物質や暗黒物質などによって形成される大規模なパターンを研究する際に目にするものを正確に説明するため、宇宙の誕生に関する主要な理論となった。

しかし、1 つのパターンは彼らにはわかりませんでした。時空構造自体は量子スケールで完全に静止しているわけではなく、インフレーションは物質や他のすべてのものと同様に、初期の震えを適切な波に引き伸ばすはずでした。これらの原始重力波は、CMB にかすかな痕跡を残したはずです。これは、「B モード偏光」と呼ばれる光の特定の渦巻きです。天文学者は、パターンが十分に顕著であれば、今日これらの渦巻きを直接検出する能力を持っていますが、まだ発見されていません。

残念なことに、宇宙には同じように渦巻くように輝く物質があふれている。例えば、BICEP チームは 2014 年に原始重力波の発見を誇らしげに発表したが、後になって、彼らが捉えたのは天の川銀河の星々の間の空間を満たす磁場に沿って流れる塵粒子のほのかな熱の輝きだったことが判明した。

これまでで最も低い天井

BICEP/ケック共同研究チームは、何年もかけて手法を改良し、南極に一連の望遠鏡を建設してきた。南極の澄み切った乾燥した空気は、宇宙の鮮明な眺めを提供してくれる。最新の成果は、南極の望遠鏡の過去3世代のデータと他の実験を組み合わせたものだ。

10 年以上かけて、彼らはセンサーの数を数十から数千に増やしてきました。そして、重要なのは、観測する「色」のセットを 1 つの波長から 3 つに拡張したことです。宇宙全体を満たす CMB の B モード渦は、すべての波長で均等に現れるはずです。しかし、異なる波長でより強く現れる偏光は、局所的な塵のせいである可能性があります。

インフレーションが宇宙をどれだけ揺さぶったかを示す重要な指標は、「テンソル対スカラー比」、またはこの分野の人たちの間ではrと呼ばれています。この単一の数字は、他の変動と比較して時空がどれだけ強力に波打ったかを表します。r がゼロであれば、インフレーションは宇宙の構造をまったく揺さぶらなかったことを意味し、宇宙論の教科書から最初の章を削除する必要があるかもしれません。

BICEP/Keck の観測により、原始重力波の上限が連続的に引き下げられ、 r は2016 年には 0.09 未満、2018 年には 0.07 未満になるはずであることが示されました。Physical Review Lettersに発表された最新の結果では、共同研究チームは 95 パーセントの信頼度でr は0.036 未満になるはずであると述べています。この値は、一般的に研究されているインフレーション モデルの 1 つのクラスでは不可能になります。

重力波の限界が縮小しているため、理論家たちはますます身をかがめざるを得なくなっているが、インフレーションの一般的なテーマに関する多くの論点は、BICEP/Keck の新しい天井の下にも十分収まっている。しかし、状況は居心地よくなりつつあり、限界が 0.01 を下回れば、多くのインフレーション研究者は汗をかき始めるだろう。

「インフレーションの基本的な教科書モデルでは、これより低い値を得るのはかなり難しい」とジョンズ・ホプキンス大学の理論家マーク・カミオンコウスキー氏は2019年にPhysics Todayに語った。

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宇宙学者はどこまで低空飛行できるか

BICEP/Keck 共同研究のほぼ 100 人のメンバーは、数年以内にそのレベルの精度に到達する予定です。現在、4 つの新しい望遠鏡アレイを構築しており、これによりrを最大 3 倍の精度で測定できるようになります。10 年後には、BICEP/Keck と他の CMB チームによる CMB-S4 と呼ばれる大規模な共同研究により、感度がさらに数倍向上し、 rをおよそ 0.001 に制限する予定です。

多くの宇宙論者は、CMB の鮮明な画像の中に原始重力波が写り、理論家が宇宙の初期の爆発を本当に理解していることを証明してくれることを期待している。もしそうならなければ、理論はもう少しの間宙ぶらりんのままになるかもしれない。ほとんどのはぐれインフレーションモデルを除外するには、 rをさらに 10 分の 1 に下げる必要があり、それには、プライクのような実験家が、理論家が予測するほとんど感知できないさざ波を測定するさらに優れた方法をもう一度考え出す必要がある。

「実験的な観点から言えば、それは達成不可能なように思えます」と彼は言う。「しかし、私が20年前にこの業界に入ったとき、Bモードを測定すること自体が馬鹿げているように思えました。」