定常状態モデル

宇宙論において、定常モデルまたは定常理論はビッグバン理論に代わるものです。定常モデルでは、物質の継続的な生成により膨張宇宙の物質密度は変化せず、完全な宇宙原理、つまり観測可能な宇宙はいつでもどこでも常に同じである という原理に従います。

1940年代から1960年代にかけて、天体物理学界はビッグバン理論支持者と定常理論支持者に分かれていた。定常モデルは現在、ほとんどの宇宙論者、天体物理学者、天文学者によって否定されている。^[1]観測的証拠は、定常モデルでは予測できない、宇宙の年齢 が有限である熱いビッグバン宇宙論を示している。 ^[2]

宇宙の膨張は、もともとエドウィン・ハッブルの観測によって発見されました。理論計算によっても、アルバート・アインシュタイン(1917)がモデル化した静的宇宙は不安定であることが示されました。ジョルジュ・ルメートル神父によって最初に提唱された現代のビッグバン理論は、宇宙には有限の年齢があり、時間の経過とともに冷却、膨張、重力崩壊による構造の形成を通じて進化してきたという理論です。

一方、定常モデルでは、宇宙は膨張しているものの、時間の経過とともにその外観は変化しない（完全な宇宙論的原理）とされている。例えば、宇宙には始まりも終わりもない。このため、宇宙の密度が減少しないようにするには、物質が継続的に生成される必要がある。定常宇宙論に関する影響力のある論文は、1948年にヘルマン・ボンディ、トーマス・ゴールド、フレッド・ホイルによって発表された。 ^{[3] [4]同様のモデルは、}ウィリアム・ダンカン・マクミランらによって以前にも提案されていた。^[5]

アルバート・アインシュタインは、ホイル、ボンディ、ゴールドより何年も前の1931年の原稿に示されているように、膨張宇宙の定常モデルを検討していたことが今では知られています。しかし、アインシュタインはその考えを放棄しました。^[6]

定常状態モデルの問題点は 1950 年代から 60 年代にかけて表面化し始めた。観測によって宇宙は実際に変化しているという考えが裏付けられたのだ。明るい電波源 (クエーサーや電波銀河) は遠方でのみ発見され (したがって、光の速度が天文学に与える影響により、遠い過去にしか存在できなかった可能性がある)、より近い銀河では発見されなかった。ビッグバン理論ではそのように予測されていたが、定常状態モデルではそのような天体が宇宙のいたるところで発見され、私たちの銀河の近くでも発見されると予測されていた。1961 年までに、電波源調査に基づく統計的検定^{[7]によってほとんどの宇宙論者の頭の中で定常状態モデルは排除されていたが、}ハルトン・アープのような天文学者の中には電波データが疑わしいと主張する者もいた。^{[1] : 384}

ゴールドとホイル（1959）^[8]は 、新たに生成された物質は宇宙の平均密度よりも高密度の領域に存在すると考えた。この物質は周囲の領域よりも速く放射して冷却し、圧力勾配が生じる可能性がある。この勾配は物質を高密度領域に押し込み、熱不安定性をもたらし、大量のプラズマを放出する。しかし、グールドとバービッジ（1963）^[9]は、そのようなプラズマから放出される 熱制動放射は、観測されるX線の量を超えることを認識した。したがって、定常宇宙論モデルでは、熱不安定性は銀河サイズの質量の形成に重要ではないと思われる。^[10]

ほとんどの宇宙学者にとって、定常モデルの反証は、ビッグバン理論によって予言されていた宇宙マイクロ波背景放射の1964年の発見によってもたらされた。定常モデルでは、マイクロ波背景放射は古代の星からの光が銀河の塵によって散乱された結果であると説明されていた。しかし、宇宙マイクロ波背景放射のレベルはすべての方向で非常に均一であるため、多数の点光源によってどのように生成されるのか説明が難しく、マイクロ波背景放射には、通常散乱に関連する偏光などの特性の証拠が見られない。さらに、そのスペクトルは理想的な黒体のスペクトルに非常に近いため、異なる温度や異なる赤方偏移にある多数の塵の塊からの寄与の重ね合わせによって形成されることはほとんど不可能である。スティーブン・ワインバーグは1972年に次のように書いている。「定常状態モデルは、観測されたd _L対zの関係やソース数と一致していないようだ...ある意味では、この不一致はモデルの功績である。すべての宇宙論の中で、定常状態モデルだけが、限られた観測証拠でも反証できるほど明確な予測を立てている。定常状態モデルは非常に魅力的であるため、その支持者の多くは、観測が改善されるにつれて、それに反する証拠が最終的に消えるだろうという希望をまだ抱いている。しかし、宇宙のマイクロ波放射が...本当に黒体放射であるならば、宇宙がより高温で高密度の初期段階から進化してきたことを疑うことは難しいだろう。」^[11]

この発見以来、ビッグバン理論は宇宙の起源を説明する最良の理論であると考えられてきました。ほとんどの天体物理学の出版物では、ビッグバンは暗黙のうちに受け入れられ、より完全な理論の基礎として使用されています。^{[12] :  388}

定常状態モデルの基本的な仮定の1つは、完全な宇宙論的原理から導かれる宇宙論的原理であり、宇宙における我々の観測位置は異常でも特別でもない、つまり十分に大きなスケールでは、宇宙はあらゆる方向（等方性）およびあらゆる場所（均質性）から見て同じように見える、というものである。^[13]しかし、最近の研究結果では、宇宙論的原理、特に等方性に違反があることが示唆されており、一部の研究者は宇宙論的原理はもはや時代遅れであると示唆している。^{[14] [15] [16] [17]}

銀河団^[18]、^[19]、 クエーサー[ ^20]、Ia型超新星^[21]からの証拠は、等方性が大規模に破れていることを示唆している。

プランクミッションのデータは、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の半球偏向を2つの観点から示している。1つは平均温度（つまり温度変動）に関するものであり、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。欧州宇宙機関（プランクミッションの統括機関）は、CMBのこれらの異方性は実際には統計的に重要であり、もはや無視できないと結論付けている。^[22]

すでに1967年に、デニス・シアマはCMBが顕著な双極子異方性を持つことを予測していました。^{[23] [24]}近年、CMB双極子はテストされており、現在の結果は、遠方の電波銀河^[25]とクエーサー^{[26]に対する私たちの動きが、CMBに対する私たちの動きと異なることを示唆しています。同じ結論は、} Ia型超新星^[27]とクエーサー^[28]のハッブル図に関する最近の研究でも得られています。これは宇宙論の原理に反します。

CMB 双極子は、他の多くの観測からも示唆されている。まず、CMB 内でも、奇妙な方向の配列^[29]と異常なパリティ非対称性^[30]があり、これらは CMB 双極子に起源がある可能性がある。^[31]それとは別に、CMB 双極子の方向は、クエーサーの偏光の配列^[32]、銀河団のスケーリング関係、^{[33] [34]、} 強いレンズ効果による時間遅延、^[15]、 Ia 型超新星、^[35]、クエーサーとガンマ線バーストの標準光源としての研究において、好ましい方向として浮上している。^[36]異なる物理学に基づくこれらすべての独立した観測量が CMB 双極子の方向を追跡しているという事実は、宇宙が CMB 双極子の方向に異方性があることを示唆している。^[要出典]

それにもかかわらず、宇宙マイクロ波背景放射の温度マップの研究により、地球を取り巻く宇宙は高い有意性で等方性であると主張する著者もいる。^[37]

多くの大規模構造が発見されており、一部の研究者は、その構造のいくつかが宇宙論的原理に必要な均質性条件に反すると報告している。

• 1991年に発見されたクロウズ・キャンパスノLQGは、長さ580メガパーセクである。
• 2003年に発見されたスローン万里の長城は、長さ423メガパーセクである^[38]。
• U1.11は2011年に発見された、長さ780メガパーセクの大型クエーサー群である。
• 2012年に発見された巨大LQGは、ΛCDMの予測より3倍長く、2倍の幅がある。
• 2013年11月に発見されたヘラクレス座-コロナ・グレートウォールは、長さが2000～3000メガパーセク（SGWの7倍以上）である^[39]。
• 2021年6月に発見された巨大アークは、長さが1000メガパーセクある^[40]

他の著者は、大規模構造の存在は必ずしも宇宙論の原理に違反するわけではないと主張している。^{[41] [14]}

準定常宇宙論（QSS）は、1993年にフレッド・ホイル、ジェフリー・バービッジ、ジャヤント・V・ナルリカーによって、定常宇宙論の新しい具体化として提唱され、当初の提唱では説明できなかった追加の特徴を説明することを意図していた。このモデルは、宇宙の中で時間の経過とともに発生する創造のポケットを示唆しており、ミニバン、 ミニ創造イベント、またはリトルバンと呼ばれることもある。^[42]加速する宇宙の観測後、このモデルはさらに修正された。^[43]プランク粒子は、シュワルツシルト半径がコンプトン波長とほぼ同じである仮想のブラックホールであり、このような粒子の蒸発は、膨張する定常宇宙における軽元素の源として引き起こされてきた。^[44]

天体物理学者で宇宙学者の ネッド・ライトは、このモデルの欠陥を指摘した。^[45]これらの最初のコメントは、すぐに支持者によって反論された。^[46]ライトと他の主流の宇宙学者は、QSSを検討し、支持者によって説明されていない新たな欠陥と観測との矛盾を指摘した。^[47]

• 非標準宇宙論
• コペルニクスの原理
• 宇宙の大規模構造
• 宇宙の膨張

• Burbidge, G.、Hoyle, F.、「ヘリウムとその他の軽元素の起源」、The Astrophysical Journal、509: L1–L3、1998 年 12 月 10 日
• Hoyle, F.; Burbidge, G.; Narlikar, JV (2000).宇宙論への異なるアプローチ. Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-66223-9。
• ミットン、S. (2005)。『宇宙の衝突：フレッド・ホイルの科学者としての生涯』ジョセフ・ヘンリー・プレス。ISBN 978-0-309-09313-2。
• ミットン、S. (2005)。フレッド・ホイル：科学に生きる人生。オーラム・プレス。ISBN 978-1-85410-961-3。
• ナルリカー、ジャヤント、バービッジ、ジェフリー（2008年）。『宇宙論における事実と推測』ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-86504-3。