宇宙は「加速膨張」している

宇宙
Credit: MPE

以前、宇宙は膨張しているという記事をまとめました。

宇宙は「膨張」している(1)-宇宙膨張のイメージ-
宇宙空間は、実は膨張し続けているのです。まずは宇宙がどのように膨張をしているのか、簡単にイメージしてみましょう。
宇宙は「膨張」している(2)-膨張宇宙の証拠-
宇宙空間は、実は膨張し続けているのです。なぜ、そしてどのように宇宙は膨張しているのでしょうか?

ビッグバンで始まった宇宙の膨張が、今なお続いているんでしたね!宇宙膨張がハッブルの観測により明らかになったのが1930年頃なのですが、それから60年くらい経過した1990年代にさらに驚くべき事実が明らかになりました。なんと、宇宙は膨張速度を加速させていたのです!

これだけではちょっと良く分かりませんね(笑)今日は宇宙の加速膨張について、詳しくみていきましょう!

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「加速」膨張ってなんだろう?

加速というのは、速度が徐々に早くなることです。車のアクセルを踏んでいる状態ですね!

宇宙の加速膨張というのは、膨張速度が徐々に早くなっていることを意味しています。

加速とは、速度が徐々に上がること。

宇宙が膨張しているというだけでも信じがたいのに、さらにその膨張が速くなっているというのは驚きでしかないですね!

なぜ加速膨張が明らかになったのか?

では、どのようにして宇宙の加速膨張が明らかとなったのでしょうか?その答えは、宇宙の「標準光源」と呼ばれる天体がカギとなっています。

宇宙の標準光源

宇宙の標準光源とは、その天体の絶対的な明るさが判明している天体を指します。この標準光源があると、その天体までの距離が求められるのです!

標準光源のことを、英語では”standard candle”と言います。宇宙の標準光源は、いわば宇宙を照らし出すロウソクなのですね!

標準光源は、宇宙を照らし出すロウソク。

電球を考えてみましょう。白熱電球ではワット数(LED電球の場合はルーメン)が同じだと、明るさはほとんど同じになります。この電球が明るく見えていれば近くにあり、逆に暗ければ遠くにあるということがわかります。なので、宇宙において標準光源を探し、その明るさを測ることでその天体までの距離を測定することが可能となるのです!

宇宙膨張の記事において、ハッブルが使った「セファイド変光星」も標準光源となる天体の一つです。ただ、セファイド変光星は恒星なので、あまり遠くにあるとそもそも見えません。ワット数の小さい豆電球のような存在と言えますね!

それでは、遠くの宇宙を照らし出す電球とはなんでしょうか?それは、星が爆発する「超新星」です。超新星にはその爆発メカニズムによって幾つか種類があるのですが、そのうちの「Ia型超新星」と呼ばれる種類の超新星が標準光源として利用されています。

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1993ApJ…413L.105P/abstract

では、どのくらい遠くのIa型超新星が見えるのでしょうか?なんと、80億光年くらい遠くにあるIa型超新星でも観測できてしまうのです!それくらい星の爆発というものは凄まじいのですね。

宇宙に燦然と輝く花火、超新星爆発。

ただ、最近ではIa型超新星にはバリエーションがあり、実は全てのIa型超新星が同じ明るさではないのではないか、と言われています。ここでは詳しくは立ち入りませんが、参考文献を以下に挙げておきます。

Timescale Stretch Parameterization of Type Ia Supernova B-band Light Curves
R-band intensity measurements along the light curve of Type Ia supernovae discovered by the Supernova Cosmology Project (SCP) are fitted in brightness to templa...
On Variations in the Peak Luminosity of Type Ia Supernovae
We explore the idea that the observed variations in the peak luminosities of Type Ia supernovae originate in part from a scatter in metallicity of the main-sequ...

標準光源を頼りに宇宙の距離を測る

1990年代前半にIa型超新星が遠くの宇宙でも使える標準光源として注目を浴び、天文学者はこぞってIa型超新星の探査を始めました。そして90年代後半には遠方のIa型超新星のデータから宇宙膨張が加速しているのか、あるいは減速しているのかを調べました。

Ia型超新星の観測と、様々な宇宙モデルによる明るさ変化の予想。横軸は赤方偏移で地球からの距離を、縦軸はIa型超新星の明るさを表している。Riess et al. (2001)より引用。

そして得られた結果が上の図となります。横軸は赤方偏移と呼ばれる量で地球からの距離を、縦軸はIa型超新星の明るさを表しています。

図には観測結果の他に、宇宙モデルの違いによってIa型超新星の明るさがどう見えるかという理論予想を表しています。(1)のモデルはあまり気にしなくて良くて、注目すべきは(2) 加速膨張するモデル(3), (4) 加速膨張しないモデルの3本の線です。観測結果と比較すると、(2)の加速膨張するモデルが最もよく一致していることが分かると思います。

このように遠方宇宙のIa型超新星の観測により、宇宙が加速膨張していることが判明しました。宇宙の加速膨張は独立した2組の国際チームによりほぼ同時に発見され、その功績を称えられて2011年にソール・パールマッター氏、ブライアン・P・シュミット氏、アダム・リース氏の3名にノーベル物理学賞が授与されました。

パールマッター氏 (Credit: Getty Images/C Flanigan)

シュミット氏 (Credit: Getty Images/Fairfax Media)

リース氏 (Credit: Getty Images/Mark Wilson)

こちらがノーベル賞受賞を勝ち取った論文たちです。

Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae
We report measurements of the mass density, Omega_M, and cosmological-constant energy density, Omega_Lambda, of the universe based on the analysis of 42 Type Ia...
Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant
We present observations of 10 type Ia supernovae (SNe Ia) between 0.16 < z < 0.62. With previous data from our High-Z Supernova Search Team, this expanded set o...

論文の価値を測る指標として、その論文が他の論文に何回引用されたかというものがあります。引用数が100でもすごいなーという印象なのですが、上記の論文は共に引用回数が13,000回を超えています!いかに優れた研究であり、インパクトのある結果であったかというのが引用回数からも読み取れますね!

なにが宇宙膨張を加速させているのか?

もし床に摩擦がなければ、転がしたボールは同じ速度で運動を続けます。なので、宇宙が膨張をし続けているのは不思議ではありません。

追加のエネルギーがなければ、物体は等速直線運動を続ける。

しかし、加速するためにはエネルギーが必要です。車だってガソリンや電気のようなエネルギー源がないとアクセルを踏んでも加速することはできません。

では、宇宙の膨張を加速させているエネルギー源はなんなのでしょうか?実は、その正体はよく分かっていません(笑)

なぜ加速膨張をしているのかは分からないのですが、その事実だけを人類は知ってしまったのです!しかし、何らかのエネルギー源があることは確かなので、天文学者は宇宙膨張を加速させている謎のエネルギーのことを「ダークエネルギー(暗黒エネルギー)」と呼ぶことにしました。無駄にカッコいい呼び方ですよね(笑)

ダークエネルギーの正体が何なのか、そしてどのような性質を持っているのかは明らかになっておりません。しかし、ダークエネルギーにより宇宙の将来が決まってしまうので、現在天文学者は精力的にダークエネルギーについて研究を進めています。

最後に

本日のまとめです。

  1. 宇宙には標準光源と呼ばれる絶対的な明るさが判明している天体がある。これを観測することで、その天体までの距離がハッキリと分かる。Ia型超新星は遠い宇宙においても観測できる宇宙の灯台のような存在。
  2. 標準光源であるIa型超新星の観測と様々な宇宙モデルを比較したところ、宇宙が加速膨張をしていることが判明した。この発見により、3名の天文学者にノーベル物理学賞が授与された。
  3. 宇宙が加速膨張していることは観測から判明したが、なぜ加速膨張をしているのかはいまだに明らかになっていない。加速膨張をさせる謎のエネルギーを、とりあえずダークエネルギーと呼んでいる。

宇宙が加速度的にどんどん大きくなっているというのはすごいですよね!そして、謎のエネルギー源が宇宙を加速膨張させているというのは何とも神秘的というか、宇宙って本当に分からないことだらけなんだな、って思いますね。

皆さんもニュースをチェックして、ぜひこれからの研究の進展に期待してくださいね!

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