物理宇宙論

物理宇宙論は宇宙論の分野であり、宇宙モデルの研究に関係する。宇宙モデル、あるいは単に宇宙論は、宇宙の最大規模の構造とダイナミクスの説明を提供し、宇宙の起源、構造、進化、そして最終的な運命に関する基本的な疑問の研究を可能にする。^[1]科学としての宇宙論は、天体が地球上のものと同一の物理法則に従うというコペルニクスの原理と、それらの物理法則を初めて理解できるようにした ニュートン力学に端を発している。

現在理解されている物理宇宙論は、1915年にアルバート・アインシュタインの一般相対性理論の発展とともに始まり、1920年代に大きな観測的発見が続いた。まず、エドウィン・ハッブルは、宇宙には天の川銀河の向こうに膨大な数の外部銀河があることを発見した。次に、ヴェスト・スライファーらの研究により、宇宙は膨張していることが示された。これらの進歩により、宇宙の起源について推測することが可能になり、ジョルジュ・ルメートルによるビッグバン理論が主要な宇宙論モデルとして確立された。少数の研究者は今でもいくつかの代替宇宙論を主張しているが、^[2]ほとんどの宇宙論者は、ビッグバン理論が観測を最もよく説明することに同意している。

1990年代以降、宇宙マイクロ波背景放射、遠方超新星、銀河の赤方偏移の調査など、観測宇宙論の劇的な進歩により、宇宙論の標準モデルが開発されました。このモデルでは、宇宙には大量の暗黒物質と暗黒エネルギーが含まれていると想定されていますが、その性質は現在十分に解明されていません。しかし、このモデルは、さまざまな観測結果と非常によく一致する詳細な予測を示しています。^[3]

宇宙論は、理論物理学と応用物理学のさまざまな研究分野の成果に大きく依存しています。宇宙論に関連する分野には、素粒子物理学の実験と理論、理論天体物理学と観測天体物理学、一般相対性理論、量子力学、プラズマ物理学などがあります。

現代宇宙論は、理論と観測が並行して発展した。1916年、アルバート・アインシュタインは一般相対性理論を発表し、重力を空間と時間の幾何学的性質として統一的に説明した。^[4]当時、アインシュタインは静的な宇宙を信じていたが、彼の理論の当初の定式化ではそれが許されないことに気付いた。^[5]これは、宇宙全体に分布する質量が重力によって引き合い、時間の経過とともに互いに向かって移動するためである。^[6]しかし、彼は、彼の方程式では、宇宙規模で重力の引力に対抗できる定数項を導入できることに気付いた。アインシュタインは1917年に相対論的宇宙論に関する最初の論文を発表し、その中でこの宇宙定数を彼の場の方程式に追加して、静的な宇宙をモデル化するように強制した。^[7]アインシュタインのモデルは静的な宇宙を記述しており、空間は有限で境界がない（有限の面積を持ちながら端のない球の表面に類似している）。しかし、このいわゆるアインシュタインモデルは小さな摂動に対して不安定であり、最終的には膨張または収縮し始めます。^{[5]後に、アインシュタインのモデルは、一般相対性理論と}宇宙論的原理と一致する、より大きな可能性の集合のうちの1つに過ぎないことが認識されました。一般相対性理論の宇宙論的解は、1920年代初頭にアレクサンダー・フリードマンによって発見されました。[8] 彼の方程式は、膨張または収縮する可能性があり、その形状は開いた、平坦な、または閉じた可能性があるフリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー宇宙^を記述します。

1910年代に、ヴェスト・スリファー（後にカール・ヴィルヘルム・ヴィルツ）は渦巻き星雲の赤方偏移を、それらが地球から遠ざかっていることを示すドップラー効果であると解釈した。 ^{[12] [13]}しかし、天体までの距離を決定することは困難である。1つの方法は、物体の物理的な大きさをその角度の大きさと比較することであるが、これを行うには物理的な大きさを仮定しなければならない。別の方法は、物体の明るさを測定して固有の光度を仮定し、そこから逆二乗則を使用して距離を決定することである。これらの方法を使用するのが困難であったため、彼らは星雲が実際には私たちの天の川銀河の外にある銀河であることに気づかず、宇宙論的な意味についても推測しなかった。 1927年、ベルギーのローマカトリック司祭ジョルジュ・ルメートルは、フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー方程式を独自に導き、渦巻き星雲の後退に基づいて、宇宙は「原始原子」^[14]の「爆発」から始まったと提唱しました。これは後にビッグバンと呼ばれました。1929年、エドウィン・ハッブルはルメートルの理論に観測的根拠を与えました。ハッブルは、セフェイド変光星の明るさの測定を使用して渦巻き星雲までの距離を決定することにより、渦巻き星雲が銀河であることを示しました。彼は、銀河の赤方偏移とその距離の間に関係を発見しました。彼はこれを、銀河が地球からの距離に比例した速度であらゆる方向に地球から後退している証拠であると解釈しました。^[15]この事実は現在ハッブルの法則として知られていますが、ハッブルが発見した遠ざかる速度と距離に関連する数値係数は、セファイド変光星の種類がわかっていなかったため、10倍も間違っていました。

宇宙論的原理から、ハッブルの法則は宇宙が膨張していることを示唆している。膨張については主に2つの説明が提案された。1つはジョージ・ガモフが提唱し発展させたルメートルのビッグバン理論である。もう1つの説明はフレッド・ホイルの定常状態モデルであり、銀河が互いに離れるにつれて新しい物質が生成されるというものである。このモデルでは、宇宙はどの時点でもほぼ同じである。^{[16] [17]}

長年、これらの理論に対する支持は二分されていました。しかし、観測的証拠は、宇宙が高温高密度状態から進化したという考えを支持し始めました。1965年の宇宙マイクロ波背景の発見は、ビッグバンモデルに強力な支持を与えました。^{[17]そして、1990年代初頭の}宇宙背景探査機による宇宙マイクロ波背景の精密測定以来、宇宙の起源と進化に関する他の理論を真剣に提案する宇宙学者はほとんどいません。この結果の1つは、標準的な一般相対性理論では、宇宙は特異点から始まったということです。これは、 1960年代にロジャー・ペンローズとスティーブン・ホーキングによって実証されました。 ^[18]

ビッグバンモデルを拡張した別の見解として、宇宙には始まりも特異点もなく、宇宙の年齢は無限であるという説が提示されている。^{[19] [20] [21]}

2023年9月、天体物理学者は最新のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の研究に基づいて、宇宙の標準モデルの形で現在の宇宙の全体的な見方に疑問を投げかけました。^[22]

最も軽い化学元素、主に水素とヘリウムは、ビッグバンの過程で元素合成のプロセスによって生成されました。^[23]一連の恒星元素合成反応では、小さな原子核が結合して大きな原子核になり、最終的に鉄やニッケルなどの安定した鉄族元素が形成されます。これらの元素は、最も高い原子核結合エネルギーを持っています。 ^[24]全体的なプロセスは、後のエネルギー解放、つまりビッグバンの後に起こります。^{[25]このような原子核粒子の反応は、}新星などの激変星からの突然のエネルギー解放につながる可能性があります。物質の重力崩壊によるブラックホールも、最もエネルギーの大きいプロセスを促進します。これは通常、銀河の核領域で見られ、クエーサーや活動銀河を形成します。

宇宙学者は、従来のエネルギー形態では、宇宙の加速膨張に関連するものなど、すべての宇宙現象を正確に説明することはできません。代わりに、宇宙学者は、すべての空間に浸透するダークエネルギーと呼ばれる新しい形態のエネルギーを提唱しています。 ^{[26] 1つの仮説は、ダークエネルギーは}真空エネルギーにすぎず、不確定性原理により存在する仮想粒子に関連する空の空間の要素であるというものです。^[27]

最も広く受け入れられている重力理論である一般相対性理論を用いて宇宙の全エネルギーを定義する明確な方法はありません。したがって、膨張する宇宙で全エネルギーが保存されるかどうかは議論の余地があります。たとえば、銀河間空間を通過する各光子は、赤方偏移効果によりエネルギーを失います。このエネルギーは他のシステムには転送されないため、永久に失われているように見えます。一方、一部の宇宙論者は、エネルギーはある意味で保存されると主張しており、これはエネルギー保存の法則に従います。^[28]

宇宙を支配するエネルギーには、放射線と呼ばれる相対論的粒子と、物質と呼ばれる非相対論的粒子の 2 種類があります。相対論的粒子とは、静止質量が運動エネルギーに比べてゼロまたは無視できるほど小さい粒子で、光速またはそれに非常に近い速度で動きます。一方、非相対論的粒子は静止質量がエネルギーよりもはるかに大きいため、光速よりもずっと遅く動きます。

宇宙が膨張するにつれ、物質と放射線は両方とも希釈される。しかし、放射線と物質のエネルギー密度は異なる速度で希釈される。特定の体積が膨張すると、質量エネルギー密度は体積の増加によってのみ変化するが、放射線のエネルギー密度は体積の増加とそれを構成する光子の波長の増加の両方によって変化する。したがって、放射線のエネルギーは、膨張する物質のエネルギーよりも宇宙の総エネルギーのより小さな部分になる。ごく初期の宇宙は「放射線が優勢」であり、放射線が膨張の減速を制御していたと言われている。その後、光子あたりの平均エネルギーがおよそ 10 eV以下になると、物質が減速率を決定し、宇宙は「物質が優勢」であると言われる。中間のケースは分析的にうまく扱われない。宇宙の膨張が続くと、物質はさらに希釈され、宇宙定数が優勢になり、宇宙の膨張が加速する。

宇宙の歴史は宇宙論の中心的な問題です。宇宙の歴史は、各期間の主な力とプロセスに応じて、エポックと呼ばれるさまざまな期間に分けられます。標準的な宇宙論モデルは、ラムダ CDM モデルとして知られています。

標準的な宇宙論モデルでは、宇宙全体を支配する運動方程式は、小さな正の宇宙定数を持つ一般相対性理論から導かれる。 ^{[29]解決策は膨張宇宙である。この膨張により、宇宙の放射線と物質は冷えて薄まる。最初は、宇宙の放射線と物質を引き付ける}重力によって膨張が遅くなる。しかし、これらが薄まるにつれて、宇宙定数がより支配的になり、宇宙の膨張は減速するのではなく加速し始める。私たちの宇宙では、これは数十億年前に起こった。^[30]

宇宙の最も初期の段階では、平均エネルギー密度が非常に高かったため、この環境を理解するには素粒子物理学の知識が不可欠です。したがって、不安定な素粒子の散乱プロセスと崩壊は、この時期の宇宙論モデルにとって重要です。

経験則として、散乱または崩壊のプロセスは、そのプロセスを記述する時間スケールが宇宙の膨張の時間スケールよりも小さいか、それに匹敵する場合、特定の時代において宇宙論的に重要です。^{[説明が必要]}宇宙の膨張を記述する時間スケールはハッブルパラメータであり、時間とともに変化します。膨張の時間スケールは、各時点での宇宙の年齢とほぼ等しくなります。 ${\displaystyle 1/H}$${\displaystyle H}$${\displaystyle 1/H}$

観測によれば、宇宙は約138億年前に始まったとされています。^[31]それ以来、宇宙の進化は3つの段階を経てきました。まだよくわかっていませんが、宇宙のごく初期は、宇宙が非常に高温で、粒子のエネルギーが現在地球上の粒子加速器で得られるエネルギーよりも高かった一瞬のことでした。そのため、この時代の基本的な特徴はビッグバン理論で解明されていますが、詳細は主に推測に基づいています。

これに続いて、初期宇宙では、宇宙の進化は既知の高エネルギー物理学に従って進行しました。これは、最初の陽子、電子、中性子が形成され、次に原子核、最後に原子が形成されたときです。中性水素の形成とともに、宇宙マイクロ波背景放射が放射されました。最後に、構造形成の時代が始まり、物質が最初の恒星とクエーサーに集まり始め、最終的に銀河、銀河団、超銀河団が形成されました。宇宙の未来はまだはっきりとわかっていませんが、 ΛCDMモデルによると、宇宙は永遠に拡大し続けるでしょう。

以下では、宇宙論における最も活発な研究分野のいくつかを、おおよそ時系列順に説明します。これには、ビッグバン宇宙論のすべては含まれません。ビッグバン宇宙論は、 「ビッグバンのタイムライン」で紹介されています。

^{初期の熱い宇宙は、およそ 10 −33}秒後からビッグバンによってうまく説明できるように見えるが、いくつかの問題がある。 1 つは、現在の素粒子物理学を用いると、宇宙が平坦で均質で等方的であるという説得力のある理由がないことである (宇宙原理を参照)。 さらに、素粒子物理学の大統一理論は、宇宙に磁気単極子が存在するはずであると示唆しているが、これはまだ発見されていない。 これらの問題は、宇宙を平坦にし、異方性と不均質性を観測レベルまで平滑化し、単極子を指数関数的に希釈する短期間の宇宙インフレーションによって解決される。 ^[32]宇宙インフレーションの背後にある物理モデルは極めて単純であるが、素粒子物理学ではまだ確認されておらず、インフレーションと量子場の理論を調和させるのが難しい問題がある。^{[曖昧]宇宙論者の中には、}弦理論とブレーン宇宙論がインフレーションの代替となると考えている人もいる。 ^[33]

宇宙論におけるもう一つの大きな問題は、宇宙が反物質よりはるかに多くの物質を含むようになった原因は何か、ということである。宇宙学者は観測的に、宇宙が物質と反物質の領域に分割されていないと推測できる。もし分割されていたら、消滅の結果としてX線とガンマ線が発生するはずだが、これは観測されていない。したがって、初期宇宙の何らかのプロセスによって、反物質よりもわずかに過剰な物質が生成されたに違いなく、この（現在では解明されていない）プロセスはバリオン生成と呼ばれている。バリオン生成に必要な3つの条件は、1967年にアンドレイ・サハロフによって導き出され、物質と反物質の間のCP対称性と呼ばれる粒子物理学の対称性の破れを必要としている。 ^{[34]しかし、粒子加速器は、バリオン非対称性を説明するにはCP対称性の破れが小さすぎると測定する。宇宙学者と素粒子物理学者は、}バリオン非対称性を説明できる可能性のある、初期宇宙におけるCP対称性のさらなる破れを探している。^[35]

バリオジェネシスと宇宙インフレーションの問題は両方とも素粒子物理学と非常に密接に関連しており、その解決は宇宙の観測ではなく、高エネルギー理論と実験からもたらされる可能性があります。 ^{[推測? ]}

ビッグバン元素合成は、初期宇宙における元素の形成に関する理論である。この理論は、宇宙が誕生して約3分後に終了し、その温度が核融合が起こり得る温度以下に低下した。ビッグバン元素合成は、作動可能期間が短かったため、最も軽い元素のみが生成された。水素イオン（陽子）から始まり、主に重水素、ヘリウム4、リチウムが生成された。他の元素は微量しか生成されなかった。元素合成の基本理論は、1948年にジョージ・ガモフ、ラルフ・アッシャー・アルファー、ロバート・ハーマンによって開発されました。^[36]ビッグバン元素合成の理論は、原始的な軽元素の存在量と初期宇宙の特徴を結び付けているため、ビッグバン当時の物理学の調査として長年使用されていました。^{[23]具体的には、}等価原理をテストしたり、^[37]暗黒物質を調べたり、ニュートリノ物理学をテストしたりするために使用できます。^[38]一部の宇宙学者は、ビッグバン元素合成はニュートリノの4番目の「不稔」種の存在を示唆していると主張しています。^[39]

ΛCDM （ラムダ冷たい暗黒物質）モデルまたはラムダCDMモデルは、ビッグバン宇宙論モデルのパラメータ化であり、宇宙にはラムダ（ギリシャ語のΛ）で表される宇宙定数、暗黒エネルギー、冷たい暗黒物質（略してCDM ）が含まれるとしている。これはビッグバン宇宙論の標準モデルと呼ばれることが多い。 ^{[40] [41]}

宇宙マイクロ波背景放射は、中性原子が最初に形成された再結合の時代の後の分離から残った放射である。この時点で、ビッグバンで生成された放射は、荷電イオンからのトムソン散乱を停止した。1965年にアルノ・ペンジアスとロバート・ウッドロウ・ウィルソンによって初めて観測されたこの放射は、完全な熱黒体スペクトルを持っている。今日の温度は2.7ケルビンで、10 ⁵分の1まで等方性である。初期宇宙のわずかな不均一性の進化を記述する宇宙論的摂動論により、宇宙論者は放射の角度パワースペクトルを正確に計算することができ、最近の衛星実験（COBEとWMAP）^[42]や多くの地上実験と気球実験（Degree Angular Scale Interferometer、Cosmic Background Imager、Boomerangなど）によって測定されている。^[43]これらの取り組みの目標の1つは、ラムダCDMモデルの基本パラメータをより正確に測定すること、ビッグバンモデルの予測をテストし、新しい物理学を探すことです。たとえば、WMAPによる測定の結果は、ニュートリノ質量に制限を設けています。^[44]

QUIETやアタカマ宇宙論望遠鏡などの新しい実験では、宇宙マイクロ波背景放射の偏光を測定しようとしている。 ^[45]これらの測定により、理論のさらなる確認だけでなく、宇宙のインフレーションや、銀河や銀河団と宇宙マイクロ波背景放射との相互作用によって引き起こされるスニヤエフ・ゼルドビッチ効果やザックス・ウルフ効果などのいわゆる二次異方性^[46]に関する情報が得られると期待されている。^{[47] [48]}

2014年3月17日、BICEP2コラボレーションの天文学者たちは、CMBのBモード偏光を検出したと発表した。これは、ビッグバンの最も初期の段階で発生するとインフレーション理論によって予測されている原始重力波の証拠であると考えられている。 ^{[9] [10] [11] [49]}しかし、その年の後半にプランクコラボレーションは宇宙塵のより正確な測定値を提供し、塵からのBモード信号はBICEP2から報告されたものと同じ強度であると結論付けた。^{[50] [51] 2015年1月30日、BICEP2と}プランクのデータの共同分析が公開され、欧州宇宙機関は信号が天の川銀河の星間塵に完全に起因する可能性があると発表した。^[52]

最も大きく初期の構造（すなわち、クエーサー、銀河、銀河団、超銀河団）の形成と進化を理解することは、宇宙論における最大の取り組みの1つです。宇宙学者は、超銀河団などの最大の天体がまだ組み立てられている間に、小さな天体が最初に形成され、下から上に向かって構造が形成される階層構造形成モデルを研究しています。^[53]宇宙の構造を研究する1つの方法は、目に見える銀河を調査して、宇宙の銀河の3次元画像を構築し、物質のパワースペクトルを測定することです。これは、スローンデジタルスカイサーベイと2dFギャラクシーレッドシフトサーベイのアプローチです。^{[54] [55]}

構造形成を理解するためのもう一つのツールはシミュレーションであり、宇宙論者はこれを使って、宇宙の物質がフィラメント、超銀河団、ボイドに集まる際の重力による凝集を研究する。ほとんどのシミュレーションには非バリオンの冷たい暗黒物質しか含まれていないが、宇宙には目に見えるバリオン物質よりもはるかに多くの暗黒物質が存在するため、最大規模の宇宙を理解するにはこれで十分である。より高度なシミュレーションではバリオンを含め、個々の銀河の形成を研究し始めている。宇宙論者はこれらのシミュレーションを研究して、銀河調査と一致するかどうかを確認し、矛盾があれば理解しようとしている。^[56]

遠方の宇宙における物質の分布を測定し、再イオン化を調査するためのその他の補完的な観測には、次のものがあります。

• ライマンアルファの森は、宇宙学者が遠方のクエーサーからの光の吸収を測定することで、初期宇宙における中性原子水素ガスの分布を測定することを可能にする。^[57]
• 中性原子水素の21センチメートル 吸収線も宇宙論の感度の高いテストを提供します。^[58]
• 弱い重力レンズ効果、暗黒物質による重力レンズ効果によって遠景が歪む現象。 ^[59]

これらは、宇宙の構造がいつ、どのように形成されたかという疑問を宇宙学者が解決するのに役立つだろう。

ビッグバン元素合成、宇宙マイクロ波背景放射、構造形成、銀河の回転曲線からの証拠は、宇宙の質量の約 23% が非バリオン暗黒物質で構成され、目に見えるバリオン物質で構成されるのはわずか 4% であることを示唆しています。暗黒物質は、銀河の周囲にハローを形成する冷たい非放射流体のように振舞うため、その重力効果は十分に理解されています。暗黒物質は実験室で検出されたことがなく、暗黒物質の粒子物理学的性質は完全に未知のままです。観測的制約がなければ、安定した超対称粒子、弱く相互作用する巨大粒子、重力相互作用する巨大粒子、アクシオン、巨大なコンパクトハロー天体など、候補は多数あります。暗黒物質仮説の代替案としては、小加速度での重力の修正 ( MOND ) やブレーン宇宙論の影響などがあります。TeVeSは重力レンズ効果を説明できるMONDのバージョンである。^[60]

宇宙が平坦であるならば、宇宙のエネルギー密度の 73% （23% の暗黒物質と 4% の重粒子に加えて）を構成する追加の成分が存在するはずである。これは暗黒エネルギーと呼ばれる。ビッグバン元素合成や宇宙マイクロ波背景放射を妨害しないためには、重粒子や暗黒物質のようにハローに集まってはならない。暗黒エネルギーについては強力な観測的証拠があり、宇宙の総エネルギー密度は宇宙の平坦さの制約を通じて知られているが、集まっている物質の量は厳密に測定されており、これよりはるかに少ない。暗黒エネルギーの根拠は、宇宙の膨張が徐々に加速し始めていることが測定によって実証された 1999 年に強化された。^[61]

密度とクラスター化特性を除けば、ダークエネルギーについては何もわかっていない。量子場理論はダークエネルギーによく似た宇宙定数 (CC) を予測しているが、観測されたものより120桁大きい。 ^[62] スティーブン・ワインバーグと多くの弦理論家(ストリング・ランドスケープを参照)は「弱い人間原理」を唱えている。つまり、物理学者がそのような小さな宇宙定数を持つ宇宙を観測する理由は、より大きな宇宙定数を持つ宇宙には物理学者 (または生命) は存在できないからである。多くの宇宙論者は、これは納得のいく説明ではないと感じている。おそらく、弱い人間原理は自明である (生きている観測者が存在するとすれば、生命の存在を可能にする宇宙定数 (CC) を持つ宇宙が少なくとも 1 つ存在するはずである) が、その宇宙のコンテキストを説明しようとしないからだろう。^[63]たとえば、弱い人間原理だけでは、次のものを区別できない。

• 宇宙は一つしか存在せず、CC を私たちが観測する値に制限する何らかの基本原理が存在します。
• 宇宙は一つしか存在せず、CC を固定する根本的な原理は存在しないものの、私たちは幸運でした。
• さまざまな CC 値を持つ多くの宇宙が（同時または連続して）存在しており、もちろん私たちの宇宙は生命を維持している宇宙の 1 つです。

ダークエネルギーの他の可能性のある説明としては、クインテッセンス^[64]や最大スケールでの重力の修正^[65]などがある。これらのモデルが説明するダークエネルギーの宇宙論への影響は、理論によって異なるダークエネルギーの状態方程式によって与えられる。ダークエネルギーの性質は、宇宙論における最も困難な問題の一つである。

ダークエネルギーをより深く理解することで、宇宙の最終的な運命の問題が解決される可能性がある。現在の宇宙時代では、ダークエネルギーによる加速膨張により、超銀河団よりも大きな構造の形成が妨げられている。加速が無限に続くのか、あるいはビッグリップまで増加するのか、それとも最終的に逆転してビッグフリーズにつながるのか、あるいは他のシナリオに従うのかは不明である。 ^[66]

重力波は、光速で波として伝播する時空の曲率のさざ波であり、発生源から外側に伝播する特定の重力相互作用で生成されます。重力波天文学は、白色矮星、中性子星、ブラックホールで構成される連星系、超新星などのイベント、ビッグバン直後の初期宇宙の形成など、検出可能な重力波の発生源に関する観測データを収集するために重力波を使用することを目的とした観測天文学の新しい分野です。^[67]

2016年、LIGO科学コラボレーションチームとVirgoコラボレーションチームは、Advanced LIGO検出器を使用して、合体する2つのブラックホールから発生する重力波を初めて観測したと発表しました。 ^{[68] [69] [70]} 2016年6月15日には、合体するブラックホールからの重力波の2回目の検出が発表されました。^[71] LIGO以外にも、多くの重力波観測所（検出器）が建設中です。^[72]

宇宙学者は以下のことも研究します:

• 原始的なブラックホールが私たちの宇宙に形成されたかどうか、そしてそれに何が起こったのか。^[73]
• GZKカットオフを超えるエネルギーを持つ宇宙線の検出^[74]、そしてそれが高エネルギーでの特殊相対性理論の破綻を示すかどうか。
• 等価原理[ ^37]、アインシュタインの一般相対性理論が正しい重力理論であるかどうか^[75]、そして物理学の基本法則が宇宙のどこでも同じであるかどうか^{[76] 。}
• 生物物理学的宇宙論：生命を物理宇宙論の一部または固有の一部として研究し理解する物理宇宙論の一種。生命は宇宙に固有のものであり、したがって頻繁に存在すると強調する。^[77]

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