物理宇宙論

標準宇宙論モデルでは、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出されます。 ^{[ 24 ]}その解は膨張する宇宙です。この膨張により、宇宙の放射線と物質は冷えて希薄になります。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は減速されます。しかし、これらが希薄になるにつれて、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ます。私たちの宇宙では、これは数十億年前に起こりました。^{[ 25 ]}

宇宙誕生初期には、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した。したがって、不安定な素粒子の散乱過程と崩壊は、この時代の宇宙論モデルにとって重要な意味を持ちます。

経験則として、散乱過程や崩壊過程が宇宙論的に重要なのは、その過程を記述する時間スケールが宇宙膨張の時間スケールよりも小さいか、同程度である場合である。宇宙膨張を記述する時間スケールは${\displaystyle 1/H}$と${\displaystyle H}$はハッブルパラメータであり、時間とともに変化する。膨張時間スケール${\displaystyle 1/H}$それは、各時点における宇宙の年齢とほぼ等しい。

観測によると、宇宙は約 138 億年前に始まったと考えられています。^{[ 26 ]}それ以来、宇宙の進化は 3 つの段階を経てきました。まだ十分に理解されていない初期宇宙は、宇宙が非常に高温で、粒子が地球上の粒子加速器で現在利用可能なエネルギーよりも高いエネルギーを持っていたほんの一瞬のことです。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。

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。この時、最初の陽子、電子、中性子が形成され、次に原子核、そして最終的に原子が形成されました。中性水素の形成に伴い、宇宙マイクロ波背景放射が放出されました。最後に、構造形成の時代が始まり、物質が集まって最初の恒星やクエーサーが形成され、最終的には銀河、銀河団、そして超銀河団が形成されました。宇宙の未来はまだ完全には分かっていませんが、 ΛCDMモデルによれば、宇宙は永遠に膨張し続けるとされています。

^{初期の高温宇宙は、およそ 10 −33}秒以降はビッグバンによってうまく説明されているように見えるが、いくつかの問題がある。1 つは、現在の素粒子物理学では、宇宙が平坦で均質かつ等方的である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、宇宙には磁気単極子が存在するはずだと示唆しているが、それらはまだ見つかっていない。これらの問題は、宇宙を平坦にし、異方性や不均一性を観測されたレベルまで平滑化し、単極子を指数関数的に希釈する短い宇宙インフレーション期間によって解決される。 ^{[ 27 ]}宇宙インフレーションの背後にある物理モデルは非常に単純だが、素粒子物理学によってまだ確認されておらず、インフレーションと量子場理論を調和させる難しい問題がある。一部の宇宙論者は、弦理論とブレーン宇宙論がインフレーションの代替案を提供すると考えている。 ^{[ 28 ]}

宇宙論におけるもう 1 つの大きな問題は、宇宙に反物質よりもはるかに多くの物質が存在する原因です。宇宙論者は、宇宙が物質と反物質の領域に分かれていないことを観測的に推論できます。もし分かれていれば、対消滅の結果としてX 線とガンマ線が生成されるはずですが、これは観測されていません。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多くの物質が生成されたに違いなく、この (現在理解されていない) プロセスはバリオン生成と呼ばれます。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出され、物質と反物質の間のCP 対称性と呼ばれる素粒子物理学の対称性の破れを必要とします。^{[ 29 ]}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ことを測定しています。宇宙論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 対称性の追加の破れを探しています。^{[ 30 ]}

バリオ生成と宇宙インフレーションの問題はどちらも素粒子物理学と密接に関係しており、その解決は宇宙の観測を通してではなく、高エネルギー理論と実験によってもたらされる可能性がある。

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す。宇宙が誕生してから約3分後、その温度が核融合が起こり得る温度を下回ったときに、この過程は終了しました。ビッグバン元素合成は短期間しか機能しなかったため、最も軽い元素のみが生成されました。水素イオン（陽子）から出発して、主に重水素、ヘリウム4、リチウムが生成されました。他の元素は微量しか生成されませんでした。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。^{[ 31 ]}ビッグバン元素合成理論は、原始的な軽元素の存在量と初期宇宙の特徴を結びつけるため、長年にわたりビッグバン時の物理学の探究に用いられてきました。^{[ 18 ]}具体的には、等価原理の検証、^{[ 32 ]}暗黒物質の調査、ニュートリノ物理学の検証に使用できます。^{[ 33 ]}一部の宇宙論者は、ビッグバン原子核合成は、4番目の「不毛な」ニュートリノ種が存在することを示唆していると提案しています。^{[ 34 ]}

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期後の分離によって残った放射です。この時点で、ビッグバンで生成された放射が荷電イオンからのトムソン散乱を停止しました。この放射は、1965年にアーノ・ペンジアスとロバート・ウッドロー・ウィルソンによって初めて観測され、完全な熱的黒体スペクトルを持っています。現在の温度は2.7ケルビンで、 ^10⁵分の1の等方性を持っています。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理論により、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）^{[ 37 ]}や多くの地上および気球ベースの実験（Degree Angular Scale Interferometer、Cosmic Background Imager、Boomerangなど）によって測定されています。^{[ 38 ]}これらの取り組みの目標の一つは、ラムダCDMモデルの基本パラメータをより高い精度で測定すること、ビッグバンモデルの予測を検証すること、そして新しい物理現象を探すことである。例えば、WMAPによる測定結果は、ニュートリノ質量に制限を設けている。^{[ 39 ]}

QUIETやアタカマ宇宙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ます。 ^{[ 40 ]}これらの測定は、理論のさらなる確認と、宇宙インフレーション、そしていわゆる二次異方性^{[ 41 ]} （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ャエフ・ゼルドビッチ効果やザックス・ウォルフ効果など）に関する情報を提供すると期待されています。 ^{[ 42 ] [ 43 ]}

2014年3月17日、BICEP2コラボレーションの天文学者たちは、ビッグバンの初期段階でインフレーション理論によって予測される原始重力波の証拠と考えられているCMBのBモード偏光の見かけ上の検出を発表した。 ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 44 ]}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。^{[ 45 ] [ 46 ]} 2015年1月30日、BICEP2とプランクのデータの共同分析が発表され、欧州宇宙機関は、この信号は完全に天の川の星間塵に起因する可能性があると発表した。^{[ 47 ]}

宇宙論において、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、最も大きな取り組みの一つです。宇宙論者は、階層的な構造形成モデルを研究しており、このモデルでは、構造は下から上に形成され、まず小さな天体が形成され、超銀河団のような最大の天体はまだ形成途中です。^{[ 48 ]}宇宙の構造を研究する一つの方法は、可視銀河をサーベイして、宇宙の銀河の三次元像を構築し、物質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銀河赤方偏移サーベイのアプローチです。^{[ 49 ] [ 50 ]}

構造形成を理解するためのもう 1 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用して、宇宙における物質の重力による集積、すなわちフィラメント、超銀河団、ボイドへのクラスター形成を研究します。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のみが含まれていますが、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、これは宇宙を最大規模で理解するには十分です。より高度なシミュレーションでは、バリオンを含めて個々の銀河の形成を研究し始めています。宇宙論者はこれらのシミュレーションを研究して、銀河サーベイと一致するかどうかを確認し、不一致があれば理解します。^{[ 51 ]}

遠方の宇宙における物質の分布を測定し、再電離を調査するためのその他の補完的な観測には、以下のようなものがある。

• ライマンアルファフォレストは、宇宙論者が遠方のクエーサーからの光がガスによって吸収されるのを測定することで、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。^{[ 52 ]}
• 中性原子水素の21センチメートル吸収線は、宇宙論の感度の高いテストにもなります。^{[ 53 ]}
• 弱い重力レンズ効果とは、暗黒物質による重力レンズ効果によって遠方の像が歪む現象である。 ^{[ 54 ]}

これらは、宇宙論者が宇宙における構造がいつ、どのように形成されたのかという問題を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、可視バリオン物質はわずか4%であることを示唆している。暗黒物質の重力効果はよく理解されており、銀河の周りにハローを形成する冷たく非放射性の流体のように振る舞う。暗黒物質は実験室で検出されたことはなく、暗黒物質の素粒子物理学的性質は依然として全く不明である。観測上の制約がない場合、安定な超対称性粒子、弱く相互作用する質量のある粒子、重力的に相互作用する質量のある粒子、アクシオン、質量のあるコンパクトなハロー天体など、多くの候補がある。暗黒物質仮説の代替案には、小さな加速度での重力修正（MOND）やブレーン宇宙論からの効果などがある。TeVeSは重力レンズを説明できるMONDのバージョンである。^{[ 55 ]}

宇宙が平坦である場合、宇宙のエネルギー密度の73%（23%のダークマターと4%のバリオンに加えて）を構成する追加の成分が存在しなければなりません。これはダークエネルギーと呼ばれます。ビッグバン元素合成と宇宙マイクロ波背景放射に干渉しないためには、バリオンやダークマターのようにハローに集積してはなりません。宇宙の平坦性に関する制約によって宇宙の全エネルギー密度がわかっているため、ダークエネルギーの強力な観測的証拠がありますが、集積物質の量は厳密に測定されており、これよりもはるかに少ないです。ダークエネルギーの根拠は、1999年に宇宙の膨張が徐々に加速し始めたことが測定によって示されたときに強化されました。^{[ 56 ]}

ダークエネルギーについては、その密度とクラスター特性以外には何も分かっていません。量子場理論は、ダークエネルギーによく似た宇宙定数（CC）を予測していますが、観測値よりも120桁も大きい値です。^{[ 57 ]}スティーブン・ワインバーグと多くの弦理論家（弦のランドスケープを参照）は、 「弱い人間原理」を提唱しています。つまり、物理学者が宇宙定数が小さい宇宙を観測する理由は、宇宙定数が大きい宇宙では物理学者（あるいは生命）が存在し得ないからです。多くの宇宙論研究者は、この説明に満足していません。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以上、生命が存在できる宇宙定数（CC）を持つ宇宙が少なくとも1つは存在するはずだ）ものの、その宇宙の文脈を説明しようとしていないためでしょう。^{[ 58 ]}例えば、弱い人間原理だけでは、次の2つを区別することはできません。

• 宇宙はただ一つしか存在せず、CC（臨界定数）を我々が観測する値に制限する何らかの根本原理が存在する。
• 宇宙は一つしか存在せず、CCを修正する根本的な原理はないものの、私たちは幸運だったと言えるでしょう。
• 様々なCC値を持つ宇宙が（同時または連続的に）数多く存在し、もちろん私たちの宇宙は生命を支える宇宙の一つです。

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^{[ 59 ]}や、最大スケールでの重力の修正^{[ 60 ]}などがある。これらのモデルが記述するダークエネルギーの宇宙論への影響は、ダークエネルギーの状態方程式によって与えられ、これは理論によって異なる。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。

ダークエネルギーの理解が深まれば、宇宙の最終的な運命という問題も解決する可能性が高い。現在の宇宙論的時代では、ダークエネルギーによる加速膨張が、超銀河団よりも大きな構造の形成を妨げている。この加速が無限に続くのか、あるいはビッグリップまで加速し続けるのか、それとも最終的に反転してビッグフリーズに至るのか、あるいは他のシナリオに従うのかは不明である。 ^{[ 61 ]}

重力波は、時空の曲率のさざ波であり、光速で波として伝播し、特定の重力相互作用で発生し、発生源から外側に向かって伝播します。重力波天文学は、観測天文学の新興分野であり、白色矮星、中性子星、ブラックホールで構成される連星系などの検出可能な重力波の発生源、超新星爆発、ビッグバン直後の初期宇宙の形成などの現象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指しています。 ^{[ 62 ]}

2016年、LIGO科学コラボレーションとVirgoコラボレーションのチームは、Advanced LIGO検出器を使用して、合体するブラックホールのペアから発生した重力波を初めて観測したと発表した。 ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]} 2016年6月15日、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た。^{[ 66 ]} LIGO以外にも、多くの重力波観測所（検出器）が建設中である。^{[ 67 ]}

宇宙論者は以下のことも研究する：

• 原始ブラックホールは我々の宇宙で形成されたのか、そしてそれらはどうなったのか。^{[ 68 ]}
• GZKカットオフを超えるエネルギーを持つ宇宙線の検出^{[ 69 ]}、そしてそれが高エネルギーにおける特殊相対性理論の破綻を示すかどうか。
• 等価原理^{[ 32 ]}、アインシュタインの一般相対性理論が重力の正しい理論であるかどうか^{[ 70 ]}、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^{[ 71 ] 。}
• 生物物理宇宙論：物理宇宙論の一種で、生命を物理宇宙論の一部または固有の部分として研究し理解する。生命は宇宙に固有のものであり、したがって頻繁に発生すると強調する。^{[ 72 ]}

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