ビッグクランチ

ビッグクランチとは、宇宙の最終的な運命に関する仮説的なシナリオであり、宇宙の膨張が最終的に逆転し、宇宙が再び収縮し、最終的に宇宙のスケールファクターが絶対零度に達するというものである。この出来事の後には、別のビッグバンから始まる宇宙の再形成が起こる可能性がある。

この仮説は1922年に遡り、ロシアの物理学者アレクサンダー・フリードマンが、宇宙の終焉は密度に依存することを示す一連の方程式を作成した。宇宙は安定するのではなく、膨張するか収縮する可能性がある。十分な物質があれば、重力によって宇宙の膨張が止まり、最終的には反転する可能性がある。この反転は、ブラックホールとそれほど変わらない形で、宇宙が自己崩壊する結果となる。^{[ 1 ]}宇宙が自己崩壊するにつれて、星からの放射線と高エネルギー粒子で満たされる。これが凝縮され、より高いエネルギーに青方偏移すると、星が衝突する前に星の表面を燃え上がらせるほど強烈になる。^{[ 2 ]}最後の瞬間には、宇宙はほぼ無限の温度を持つ巨大な火の玉となり、絶対的な終焉では、時間も空間も残らない。^{[ 3 ]}

入手可能な証拠のほとんどは、この仮説が間違っていることを示しています。天文学的観測によると、宇宙の膨張は加速しており、ビッグチルが発生する可能性が高くなっています。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}それにもかかわらず、一部の物理学者は、「ビッグクランチ型」のイベントがダークエネルギーのゆらぎによって発生する可能性があると提唱しています。^{[ 7 ]}

ビッグクランチ^{[ 8 ]}シナリオは、宇宙全体の物質密度が十分に高いため、重力による引力がビッグバンで始まった膨張を克服するという仮説を立てた。FLRW宇宙論は、平均エネルギー密度、ハッブルパラメータ、宇宙定数に基づいて、膨張が最終的に停止するかどうかを予測できる。膨張が停止した場合、収縮が必然的に続き、時間の経過とともに加速し、一種の重力崩壊で宇宙を終わらせ、宇宙をブラックホールに変える。

1990年代後半から2000年代初頭にかけての実験的証拠（すなわち、標準光源としての遠方の超新星の観測、および宇宙マイクロ波背景放射の高解像度マッピング）により、宇宙の膨張は重力によって減速されているのではなく、加速しているという結論に至った。^{[ 9 ]} 2011年のノーベル物理学賞は、この発見に貢献した研究者に授与された。^{[ 4 ]}

ビッグクランチ仮説は、ビッグバウンスと呼ばれる別の仮説にもつながります。ビッグバウンスでは、ビッグクランチが宇宙を破壊した後、新たな膨張期が始まり、別のビッグバンを引き起こします。^{[ 10 ]}これは、循環宇宙と呼ばれる現象で永遠に繰り返される可能性があります。

聖職者であり学者でもあったリチャード・ベントレーは、ニュートンの理論と無神論の否定に関する講演の準備として、アイザック・ニュートンに手紙を送った。

もし私たちが有限の宇宙にいて、すべての星が互いに引き合うとしたら、それらはすべて一点に収縮するのではないでしょうか？また、もし私たちが無限の宇宙に無限の星があるとしたら、あらゆる方向からの無限の力がそれらすべての星に影響を与えるのではないでしょうか？

この問題はベントレーのパラドックスとして知られており、ビッグクランチの初期の先駆けである。しかし、現在では星は動き回っていて静止していないことがわかっている。^{[ 11 ]}

アインシュタインの宇宙定数

アルバート・アインシュタインは、宇宙の不変モデルを支持していた。彼は1917年にオランダの天文学者ウィレム・ド・ジッターと協力し、一般相対性理論が静的モデルでも機能することを証明しようとした。ウィレムは、自身の方程式が非常に単純な宇宙を記述できることを示した。当初は問題が見つからなかったため、科学者たちはそのモデルを宇宙の記述に適用した。彼らはベントレーのパラドックスの別の形に遭遇した。^{[ 13 ]}

一般相対性理論では、宇宙は絶えず変化していると説明されていました。アインシュタインは、当時観測されていたような静的な宇宙が存在するためには、宇宙を収縮させる重力に対抗する反重力が必要であり、相対性理論の方程式を破綻させる余分な力が必要になると認識しました。最終的に、反重力の名称である宇宙定数が相対性理論に追加されました。 ^{[ 14 ]}

ハッブルの法則の発見

マウント・ウィルソン天文台で働いていたエドウィン・ハッブルは、銀河までの距離を測定し、それをヴェスト・スライファーとミルトン・ヒューマソンが測定したそれらの銀河に関連する赤方偏移と組み合わせました。彼は、天体の赤方偏移とその距離の間に大まかな比例関係があることを発見しました。ハッブルは46個の銀河から傾向線を描き、ハッブル定数を研究して求め、それを500  km/s/Mpcと推論しました。これは今日考えられている値のほぼ7倍ですが、それでも宇宙が膨張しており、静的な物体ではないという証拠となりました。^{[ 15 ]}

宇宙定数の放棄

ハッブルの発見が発表された後、アインシュタインは宇宙定数を放棄した。最も単純な形では、方程式は膨張または収縮する宇宙のモデルを生成した。これは観測結果と矛盾していたため、宇宙定数が作られた。^{[ 16 ]}宇宙が膨張していることが確認された後、アインシュタインは宇宙が静的であるという仮定を「最大の誤り」と呼んだ。1931年、アインシュタインはハッブルを訪ね、「現代宇宙論の基礎を提供してくれた」ことに感謝した。^{[ 17 ]}この発見の後、アインシュタインとニュートンの収縮するが静的な宇宙のモデルは、膨張する宇宙のモデルに取って代わられた。

「ビッグバウンス」と呼ばれる仮説では、宇宙は始まりの状態に収縮し、その後別のビッグバンを開始する可能性があると提唱されています。このようにして、宇宙は永遠に存続しますが、膨張（ビッグバン）と収縮（ビッグクランチ）の段階を経ることになります。^{[ 10 ]}これは、宇宙が常にビッグバンとビッグクランチの状態にある可能性があることを意味します。

循環宇宙論は、1931年にアルバート・アインシュタインによって一時的に検討された。彼は、ビッグバン以前に宇宙が存在し、それがビッグクランチで終焉を迎え、その反作用として再びビッグバンが起こった可能性があると仮説を立てた。私たちの宇宙は膨張と収縮のサイクルを繰り返しており、そのサイクルは無限に続く可能性があるというのだ。

エキピロティックモデル

循環宇宙のより現代的なモデルも存在する。ポール・スタインハートによって提唱されたエクピロティックモデルでは、ビッグバンは、ブレーンと呼ばれる2つの平行なオービフォールド平面が高次元空間で衝突することによって引き起こされた可能性があるとされている。^{[ 18 ]} 4次元宇宙は、ブレーンの1つ上に存在する。衝突はビッグクランチ、そしてビッグバンに対応する。我々の周りの物質と放射線は、ブレーン以前の量子ゆらぎである。数十億年後、宇宙は現在の状態に達し、さらに数十億年後に収縮を開始する。ダークエネルギーはブレーン間の力に対応し、以前のモデルにおける平坦性やモノポールなどの問題を解決することを可能にする。サイクルは過去と未来に無限に続くことができ、アトラクターによって宇宙の完全な歴史が可能になる。^{[ 19 ]}

これにより、以前の宇宙モデルがエントロピーの蓄積によって熱的死に至るという問題が解決されます。新しいモデルでは、各サイクル後に正味の膨張が起こることでエントロピーの蓄積が止まり、この問題が回避されます。しかし、このモデルにはまだいくつかの欠陥があります。モデルの基礎であるブレーンは、弦理論家によってまだ完全には理解されておらず、スケール不変スペクトルがビッグクランチによって破壊される可能性があります。宇宙のインフレーションと、真空のゆらぎを生み出すために必要な力の一般的な性質（またはエクピロティックモデルにおけるブレーンの衝突）は知られていますが、素粒子物理学からの候補が欠けています。^{[ 20 ]}

共形循環宇宙論（CCC）モデル

物理学者のロジャー・ペンローズは、一般相対性理論に基づく共形循環宇宙論と呼ばれる理論を提唱した。この理論では、宇宙はすべての物質が崩壊して光に変わるまで膨張する。宇宙には時間や距離のスケールが関連付けられていないため、宇宙はビッグバンと同一になる（その結果、次のビッグバンとなる一種のビッグクランチが発生し、次のサイクルが始まる）。^{[ 21 ]}ペンローズとグルザディアンは、共形循環宇宙論の痕跡が宇宙マイクロ波背景放射に見られる可能性があると示唆したが、2020年現在、これらは検出されていない。^{[ 22 ]}

このモデルにもいくつかの欠陥がある。懐疑論者は、無限に大きな宇宙と無限に小さな宇宙を一致させるには、宇宙が古くなるとすべての粒子が質量を失わなければならないと指摘した。ペンローズは、CMBで均一な温度を持つリングの形でCCCの証拠を提示した。これらのリングは、我々の時代（我々がいる宇宙のサイクル）のシグネチャーであり、我々の前の時代のブラックホールの衝突によって引き起こされた球状の重力波によって引き起こされたという考えである。^{[ 23 ]}

単調に減少するポテンシャルを進み、十分にゼロを下回るスカラー場によって駆動されるクインテッセンスの形態がダークエネルギーの（主な）説明であり、データ（特にダークエネルギーに関する観測的制約）が正確であれば、宇宙の加速膨張は、次の 1 億年の宇宙の近未来で収縮に戻るだろう。アンドレイ、イジャス、スタインハルトの研究によると、このシナリオは「周期的宇宙論と量子重力に関する最近の推測に自然に合致する」。この研究は、緩やかな収縮段階が「宇宙が新たな膨張段階に移行する前に、約 10 億年の期間続く」ことを示唆している。^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

ポール・デイヴィスは、ビッグクランチが現在から約1000億年後に起こるというシナリオを検討した。彼のモデルでは、収縮する宇宙は膨張期をほぼ逆の形で進化する。まず銀河団、次に銀河が合体し、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の光子が青方偏移するにつれてCMBの温度が上昇し始める。星は最終的に互いに非常に接近し、衝突し始める。CMBがM型星よりも高温になると（デイヴィスのモデルではビッグクランチの約50万年前）、星はもはや熱を放射することができなくなり、蒸発するまで自らを焼き尽くす。これは、O型星がビッグクランチの約10万年前に沸騰して消滅するまで、より高温の星で次々と続く。最後の数分間、宇宙の温度は非常に高くなり、原子や原子核が崩壊し、すでに合体しつつあるブラックホールに吸い込まれる。ビッグクランチの時には、宇宙のすべての物質がビッグバンに似た無限に高温で無限に高密度の特異点に圧縮されるだろう。^{[ 29 ]}ビッグクランチの後には別のビッグバンが起こり、新しい宇宙が生まれるかもしれない。^{[ 7 ]}

ダグラス・アダムズの小説『宇宙の果てのレストラン』では、ミリウェイズというレストランが、客が食事をしながら宇宙の終わり、つまり「グナブ・ギブ」と呼ばれるものを観察できるように作られているという設定になっている。^{[ 30 ]}この用語は、例えば『Physics I For Dummies』やビッグクランチについて論じた投稿などで、（「gnaB giB」として）主流でも使われることがある。^{[ 31 ]} 1980年から1989年までのテレビシリーズ 『ドクター・フー』では、オープニングクレジットでは宇宙の「ビッグバン」と膨張が描かれ、エンディングクレジットではその逆、つまり収縮と最終的な「ビッグクランチ」が描かれている。