宇宙原理

現代の物理宇宙論において、宇宙原理とは、宇宙における物質の空間分布は、十分に大きなスケールで見ると均一に等方性かつ均質であるという概念である。これは、力が宇宙全体にわたって大規模に均等に作用すると予想され、したがって、ビッグバンによって最初に定められた物質場の進化の過程での大規模構造化に、観測可能な不平等は生じないはずであるからである。

天文学者のウィリアム・キールは次のように説明しています。

宇宙原理は、通常、「十分に大きなスケールで見ると、宇宙の特性はすべての観測者にとって同じである」と正式に述べられます。これは、私たちが見ることができる宇宙の部分は公正なサンプルであり、同じ物理法則が全体に適用されるという、非常に哲学的な声明に相当します。本質的には、これはある意味で、宇宙は認識可能であり、科学者に対して公正であることを示しています。^[4]

宇宙論的原理は「観察者」の定義に依存し、暗黙の条件と 2 つの検証可能な結果を​​含みます。

「観測者」とは、単に地球上のあらゆる場所にいる人間の観測者ではなく、宇宙のあらゆる場所にいる観測者を意味します。アンドリュー・リドルが言うように、「宇宙論の原理は、あなたが誰でどこにいても、宇宙は同じに見えるということを意味します。」^[5]

条件は、物理的構造の変動は、観察から得られる結論の統一性を損なわない限り、無視できるということです。太陽は地球とは異なり、私たちの銀河はブラックホールとは異なり、一部の銀河は私たちから遠ざかるのではなく、私たちに向かって前進し、宇宙は銀河団と空隙の「泡状の」質感を持っていますが、これらの異なる構造のどれもが物理の基本法則に違反しているようには見えません。

宇宙論的原理の検証可能な構造的帰結は、均質性と等方性という2 つである。均質性とは、宇宙の異なる場所にいる観測者が同じ観測証拠を得られることを意味する (「私たちが見ることができる宇宙の部分は公平なサンプルである」)。等方性とは、宇宙のどの方向を見ても同じ観測証拠を得られることを意味する (「同じ物理法則が全体に適用される」)。^{[疑わしい–議論]}これらの原理は異なるが密接に関連している。なぜなら、任意の 2 か所 (球面形状の場合は 3 か所) から等方性に見える宇宙は均質でもあるはずだからである。

宇宙論的原理は、アイザック・ニュートンの『自然哲学の数学的原理』（1687年）で初めて明確に主張された。^{[疑わしい–議論する]}地球が宇宙の中心にあるとする古典的または中世の宇宙論とは対照的に、ニュートンは、地球を、あらゆる方向に計り知れないほど遠くまで均一に広がる空間内で太陽の周りを公転する球体として概念化した。次に、惑星と彗星の運動の詳細な観測データに関する一連の数学的証明を通じて、それらの運動は「万有引力」という単一の原理で説明できることを示した。この原理は、木星の周りのガリレオ衛星の軌道、地球の周りの月、太陽の周りの地球の軌道、地球上の落下物体にも当てはまる。つまり、彼は太陽系内のすべての物体の物質的性質が同等であり、太陽と遠くの星は同一であり、したがって物理運動の法則は地球自体の観測位置をはるかに超えた距離まで均一に拡張されると主張した。

1990年代以降、宇宙論的原理を前提とした観測により、宇宙の質量エネルギー密度の約68%が暗黒エネルギーに起因するという結論が出され、 ΛCDMモデルの開発につながった。^{[6] [7] [8]}

観測によると、より遠い銀河は互いに接近しており、リチウムより重い化学元素の含有量が少ない。^[要出典]宇宙論の原理を適用すると、これは、より重い元素がビッグバンで作られたのではなく、巨大な星の元素合成によって生成され、一連の超新星と超新星残骸からの新しい星形成を通じて放出されたことを示唆しており、これはより重い元素が時間とともに蓄積されることを意味します。別の観測では、最も遠い銀河（以前の時間）は、地元の銀河（最近の時間）よりも断片的で相互作用し、異常な形をしていることが多く、銀河構造の進化も示唆しています。

宇宙論的原理の関連する含意は、宇宙の最も大きな離散構造が力学的平衡にあるということである。最大スケールでの物質の均質性と等方性は、最も大きな離散構造が、ケーキの内部を構成するパン粉のように、単一の非離散的な形状の一部であることを示唆する。極端な宇宙距離では、視線の横にある表面の力学的平衡の特性は経験的にテストできるが、宇宙論的原理の仮定の下では、視線と平行にそれを検出できない（宇宙のタイムラインを参照）。

宇宙論者は、遠方の銀河の観測によれば、宇宙が宇宙論的原理に従うならば、宇宙は非静的でなければならないことに同意している。1923年、アレクサンダー・フリードマンは、均質等方性宇宙のダイナミクスを記述するアルバート・アインシュタインの一般相対性理論の方程式の変形を提示した。 ^{[9] [10]}それとは独立して、ジョルジュ・ルメートルは1927年に一般相対性理論の方程式から膨張宇宙の方程式を導いた。^{[11]したがって、遠方の銀河の観測とは独立して、宇宙論的原理を}一般相対性理論に適用した結果として、非静的宇宙も暗示される。

カール・ポパーは、宇宙論的原理が「我々の知識の欠如を、何かを知る原理にする」 という理由でこれを批判した。彼は自身の立場を次のように要約した。

「宇宙論的原理」は、提案されるべきではなかった教義であったと私は恐れている。^[12]

宇宙はより小さなスケールでは不均質であるが、ΛCDMモデルによれば、2億5000万光年よりも大きなスケールでは等方性で統計的に均質であるはずである。しかし、最近の研究結果（例えば悪の枢軸）は、宇宙には宇宙論的原理の違反が存在することを示唆しており、ΛCDMモデルに疑問を投げかけている。一部の研究者は、宇宙論的原理はもはや時代遅れであり、フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー計量は後期宇宙では破綻すると示唆している。^[1]

ΛCDMモデルでは、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は等方性であると予測されており、つまり、どの方向から見てもその強度はほぼ同じである。^[13]プランクミッションのデータは、2つの点で半球偏りを示している。1つは平均温度（つまり温度変動）に関するもので、もう1つは摂動の度合い（つまり密度）の大きな変動に関するものである。^{[14] [15]}共同研究チームは、これらの特徴は等方性と統計的に大きく矛盾するものではないと指摘した。^[16]宇宙マイクロ波背景放射の温度マップの研究により、地球周辺の宇宙は高い有意性で等方性であると述べる著者もいる。 ^{[17]しかし、}銀河団、^{[2] [3]} クエーサー、^[18]およびIa型超新星による等方性の違反の主張もある。^[19]

宇宙論的原理によれば、十分に大きなスケールでは宇宙は均質である。ΛCDM宇宙におけるN体シミュレーションに基づいて、ヤダフと彼の同僚は、260 / h Mpc以上のスケールで平均すると、銀河の空間分布は統計的に均質であることを示した。 ^[20]

最大構造サイズの予測と矛盾する観察結果が数多く報告されています。

• 1991年に発見されたクロウズ・キャンパスノLQGは長さが580Mpcで、一貫したスケールよりもわずかに大きい。
• 2003年に発見されたスローングレートウォールの長さは423Mpcであり^[21] 、これは宇宙論の原理とほぼ一致する。
• 2011年に発見された大型クエーサー群U1.11は長さが780Mpcあり、均質性スケールの上限の2倍の大きさです。
• 2012年に発見された巨大LQGは、現在のモデルで予測されるものより3倍長く、2倍の幅があり、大規模宇宙に対する私たちの理解に疑問を投げかけています。
• 2013年11月、100億光年離れたところに、2000～3000メガパーセク（スローン万里の長城の7倍以上）の新しい構造、ヘラクレス・コロナ・万里の長城が発見され、宇宙論的原理の妥当性にさらなる疑問が投げかけられました。^[22]
• 2020年9月、CMB双極子の運動学的説明と、フラックス制限された全天136万個のクエーサーのサンプルの角度分布における双極子の測定値との間に4.9 ‍ σの矛盾が見つかりました。 ^[23]
• 2021年6月には、約1000Mpcに及ぶ構造である巨大アークが発見されました。 ^[24]それは2820Mpc離れた場所にあり、銀河、銀河団、ガス、塵で構成されています。
• 2024年1月、ビッグリングが発見されました。地球から92億光年離れた場所にあり、直径は13億光年、地球から見た場合の満月15個分ほどの大きさです。^[25]

しかし、2013年にセシャドリ・ナダトゥールが統計的性質を用いて指摘したように^[26] 、均質スケール（ヤダフの推定では260 / h Mpc ） ^[20]よりも大きな構造の存在は、必ずしもΛCDMモデルにおける宇宙論的原理に違反するわけではない（Huge-LQG § 論争を参照）。^[27]

宇宙マイクロ波背景放射(CMB) は、ほぼ等方性で均質な宇宙のスナップショットを提供します。CMB の最大規模の特徴は、双極子異方性です。これは、振幅が大きいため、通常はマップから差し引かれます。双極子の標準的な解釈は、CMB 静止フレームに対する太陽系の運動によって引き起こされるドップラー効果によるものです。

いくつかの研究では、大規模な銀河分布においてCMB双極子方向と一致する双極子が報告されているが、その振幅はCMB双極子速度によって引き起こされるよりも大きい。^[28]同様の双極子は電波銀河のデータでも見られるが、双極子の振幅は観測周波数に依存しており、これらの異常な特徴は純粋に運動学的なものではないことを示している。^[29]他の著者は、CMBの予想と一致する電波双極子を発見した。^{[30] CMB双極子軸に沿った異方性のさらなる主張は、} Ia型超新星^[31]とクエーサー[32]のハッブル図に関してなされている。^{[33]それとは別に、CMB双極子の方向は、クエーサーの偏光、 [33]}強いレンズ効果による時間遅延、^[34] Ia型超新星^[35]および標準光源の配列に関するいくつかの研究において、好ましい方向として浮上している。^[36]一部の研究者は、遠方効果と双極子の方向との相関関係は、その起源が運動学的なものではないことを示している可能性があると主張している。  

あるいは、プランクデータは、相対論的ビーミングによって引き起こされる変動の微妙な異常と歪みを測定することにより、またスニヤエフ・ゼルドビッチ効果を別途使用することにより、双極子とは独立してCMBに対する速度を推定するために使用されてきた。^{[37]これら}の研究は、双極子から得られた値と一致する速度を発見し、それが完全に運動学的であることと一致することを示した。局所宇宙における銀河の速度場の測定は、短いスケールでは銀河が局所グループと共に移動しており、平均速度は距離が増加するにつれて減少することを示している。^[39]これは、CMB双極子が局所的な固有速度場によるものである場合、大規模ではより均一になるという予想に従っている。局所体積の調査は、CMB双極子と反対方向に低密度領域を明らかにするために使用され、^{[40]局所的な}バルクフローの起源を説明できる可能性がある。

完全宇宙論原理は宇宙論原理の延長であり、宇宙は空間と時間において均質かつ等方性であると述べています。この見方では、宇宙はどこでも（大規模に）同じに見え、これまでもこれからも同じです。完全宇宙論原理は定常状態理論の基礎となり、カオス的インフレーション理論から生まれました^{[説明が必要]}。^{[41] [42] [43]}

• 背景の独立性
• コペルニクスの原理
• 偉大さの終わり
• フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー計量
• 宇宙の大規模構造
• 宇宙の膨張
• 赤方偏移