宇宙年齢問題

宇宙年齢問題（こくさいじせいほう、英: cosmic age problem）は、宇宙の年齢に関する天文学の歴史的な問題である。20世紀のさまざまな時期に、宇宙は観測された最古の恒星より​​も若いと推定されていたという問題である。宇宙の年齢の推定は、現在の宇宙の膨張率、ハッブル定数 、および宇宙の物質とエネルギーの内容に関する宇宙論モデル（フリードマン方程式を参照）の測定から得られた。測定の問題と暗黒エネルギーの存在を知らないことが、年齢の誤った推定につながった。^{[1] [2]さらに、銀河、恒星、惑星などの物体は、}ビッグバン直後の極端な温度と密度では存在できなかった。 ${\displaystyle H_{0}}$${\displaystyle H_{0}}$${\displaystyle H_{0}}$

1997年から2003年頃以来、この問題はほとんどの宇宙論者によって解決されたと考えられています。現代の宇宙論的測定により、宇宙の年齢（つまり、ビッグバンからの時間）は138億年と正確に推定され、最も古い物体の最近の年齢の推定値はこれよりも若いか、測定の不確実性を考慮すれば一貫しています。

1920年代にアレクサンダー・フリードマンとジョルジュ・ルメートルがフリードマン方程式の理論的発展を遂げ、1929年にエドウィン・ハッブルが膨張宇宙を発見したことを受けて、この膨張を過去に遡って追跡すると、過去のある時点で宇宙の大きさはほぼゼロであったことが予測されることがすぐに明らかになった。この概念は、当初ルメートルによって「原始原子」として知られ、後に現代のビッグバン理論へと発展した。宇宙が過去に一定の割合で膨張していたとすれば、現在の宇宙の年齢（すなわちビッグバンからの時間）はハッブル定数の逆数（ハッブル時間と呼ばれることが多い）に単純に比例する。宇宙定数がゼロで物質密度が正のビッグバンモデルの場合、実際の年齢はこのハッブル時間よりもいくらか若くなければならない。通常、年齢は物質の密度に応じてハッブル時間の66%から90%の間となる^[要出典]。

ハッブルの初期の定数の推定値^[3]は 550 (km/s)/Mpc であり、その逆数は 18 億年である。1920 年代の多くの地質学者は、地球の年齢はおそらく約 20 億年であると信じていたが、大きな不確実性があった。^[4]地球と宇宙の年齢の間に起こり得る食い違いは、おそらくビッグバンに代わる定常理論を 1948 年に開発した動機の 1 つであった。 ^{[5] (現在は廃れている) 定常理論では、宇宙は無限に古く、平均して時間とともに変化しない。定常理論では、宇宙が膨張しても平均密度を一定に保つために物質が自発的に生成されると仮定されており、そのためほとんどの銀河の年齢は今でも 1/H} ₀未満である。しかし、H ₀が 550 (km/s)/Mpc であった場合、私たちの天の川銀河は他のほとんどの銀河に比べて例外的に大きいため、平均的な銀河よりもはるかに古い可能性があり、年齢の問題は解消されます。

1950年代に、ハッブルの銀河系外距離スケールに2つの重大な誤りが発見されました。まず1952年に、ウォルター・バーデはセファイド変光星に2つのクラスがあることを発見しました。ハッブルのサンプルは近くの銀河と他の銀河の異なるクラスで構成されており、この誤りを修正すると、他のすべての銀河はハッブルの値の2倍の距離になり、ハッブル時間が2倍になりました。 ^{[6] 2つ目の誤りは、}アラン・サンデージと同僚によって発見されました。局部銀河群を超える銀河では、セファイドはハッブルの機器で観測するには暗すぎたため、ハッブルは最も明るい星を距離の指標として使用しました。ハッブルの「最も明るい星」の多くは、実際には多くの星を含むHII領域またはクラスターであり、これにより、これらのより遠い銀河の距離がさらに過小評価されました。^[7]こうして1958年にサンデージ^[8]は ハッブル定数の最初のかなり正確な測定値を発表し、75 (km/s)/Mpcとしました。これは現代の推定値である68～74 (km/s)/Mpcに近いものです。^[9]

地球（実際には太陽系）の年齢は、1955年頃にクレア・パターソンによって初めて正確に測定され、45億5000万年とされました^[10]。これは現代の値と基本的に同じです。H _{0 〜 75（km/s）/Mpcの場合、H 0}の逆数は130億年です。したがって、1958年以降、ビッグバンモデルの年齢は地球よりもかなり古くなってしまいました。

しかし、1960年代以降、恒星進化理論の新たな発展により、球状星団と呼ばれる大きな星団の年齢を推定できるようになり、その年齢は一般に、かなりのばらつきはあるものの、約150億年と推定された。^[要出典] 1970年代に サンデージとグスタフ・タマンがハッブル定数をさらに改訂し、約50～60 (km/s)/Mpcという値と^[11]、その逆数である160～200億年という球状星団の年齢と一致する値を得た。

しかし、1970年代後半から1990年代前半にかけて、年齢問題が再び浮上した。ハッブル定数の新しい推定値はより高い値を示し、ジェラール・ド・ヴォークルールは90～100 (km/s)/Mpcと推定し、[ ^12]マーク・アーロンソンとその同僚は約80～90 (km/s)/Mpcとしている。^[13]サンデージとタマンは50～60の値を主張し続け、時には「ハッブル戦争」と呼ばれる論争の時代を招いた。^{[要出典] H} ₀のより高い値は、球状星団の年齢よりも若い宇宙を予測しているように見え、1980年代にはビッグバンモデルが著しく間違っているという憶測が広まった。

年齢の問題は、1995年から2003年までのいくつかの進展によって最終的に解決されたと考えられました。まず、ハッブル宇宙望遠鏡を使用した大規模なプログラムにより、ハッブル定数が10パーセントの不確実性で72（km/s）/Mpcと測定されました。^[14]次に、1995年にヒッパルコス宇宙船による視差の測定により、球状星団までの距離が5〜10パーセント上方修正されました。 ^[15]これにより、球状星団の恒星は以前の推定よりも明るくなり、したがって若くなり、年齢の推定値が約120〜130億年まで引き下げられました。^[16]最後に、1998年から2003年にかけて、超新星、宇宙マイクロ波背景放射の観測、大規模な銀河の赤方偏移調査など、いくつかの新しい宇宙論的観測により、ダークエネルギーが受け入れられ、ラムダCDMモデルが宇宙論の標準モデルとして確立されました。ダークエネルギーの存在は、宇宙が現在の年齢の半分ほどの頃には現在の宇宙よりもゆっくりと膨張していたことを意味し、ハッブル定数の与えられた値に対して宇宙はより古いということになる。上記の3つの結果を組み合わせることで、球状星団の推定年齢と宇宙の年齢の食い違いは本質的に解消された。^[17]

WMAPとプランク宇宙船による最近の測定では、宇宙の年齢は わずか0.3%の不確実性（標準ラムダCDMモデルに基づく）で138億年^[18]と推定されており、球状星団^[19]やその他の天体の現代の年齢測定は現在この値よりも小さい（測定不確実性の範囲内）。そのため、宇宙論者の大多数は、年齢の問題は解決されたと考えている。^[20]

ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所のノーベル賞受賞者アダム・リース率いる研究チームを含む研究チームによる新たな研究では、宇宙の年齢は125億年から130億年の間であると結論付けられ、プランクの発見とは矛盾している。これが単にデータ収集の誤りから生じたものなのか、それともダークエネルギーやダークマターなど、物理学のまだ解明されていない側面と関係があるのか​​はまだ確認されていない。^[21]

このセクションでは、宇宙の動的モデリングが宇宙の年齢の推定に与える影響について検討します。現在観測されているハッブル定数km/s/Mpc を前提とするため、以降の議論では、動的モデリングの影響に焦点を当て、ハッブル定数の歴史的正確性の影響についてはあまり考慮しません。 ${\displaystyle H_{0}\approx 70}$

1932年のアインシュタイン・ド・ジッター宇宙モデルは、宇宙は物質のみで満たされ、曲率はゼロであると仮定している。このモデルは1980年代に人気を博し、スケール係数の明確な解を提供している（例えば、D. Baumann 2022を参照）^[2]

${\displaystyle a(t)=\left({\frac {t}{t_{0}}}\right)^{2/3}~,}$

ここで、宇宙の現在の年齢はハッブル定数である。これは、宇宙の年齢がハッブル定数と直接関係していることを意味する。 ${\displaystyle t_{0}}$

${\displaystyle t_{0}={\frac {2}{3}}H_{0}^{-1}~.}$

ハッブル定数を代入すると、宇宙の年齢は数十億年となり、例えば最も古い星の年齢とは一致しません。 ${\displaystyle t_{0}\approx 9}$

物質に加えて宇宙定数 の形で暗黒エネルギーを考慮すると、この2成分モデルは年齢とハッブル定数の間に次のような関係を予測する。 ${\displaystyle \Lambda}$

${\displaystyle t_{0}={\frac {2}{3}}H_{0}^{-1}\cdot {\frac {1}{\sqrt {\Omega _{\Lambda }}}}\sinh ^{-1}\left({\sqrt {\frac {\Omega _{\Lambda }}{\Omega _{m}}}}\right)~.}$

密度パラメータ の観測値を代入すると、宇宙の年齢は10 億年となり、これは恒星の年齢の観測値と一致します。 ${\displaystyle (\Omega _{\Lambda }\approx 0.7,~\Omega _{m}\approx 0.3)}$${\displaystyle t_{0}\approx 14}$

• http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_age.html