疲れた光

疲れた光は、赤方偏移と距離の関係に対する別の説明として提案された仮説上の赤方偏移メカニズムの一種である。これらのモデルは、宇宙の膨張を伴うモデルの代替として提案されている。この概念は、1929年にフリッツ・ツビッキーによって初めて提案され、光子が他の粒子との衝突によって時間の経過とともに規則的にエネルギーを失うと、より遠い物体はより近くの物体よりも赤く見えると示唆した。

ツヴィッキーは、光の散乱は、遠方の物体の像を目に見える以上にぼやけさせると認めた。さらに、時間とともに変化する銀河の表面輝度、宇宙源の時間の遅れ、宇宙マイクロ波背景放射の熱スペクトルが観測されている。宇宙赤方偏移が疲労した光の散乱メカニズムによるものであるならば、これらの効果は存在しないはずである。^{[1] [2] [3]}この概念は定期的に再検討されているが、疲労した光は観測テストによって裏付けられておらず、天体物理学の周辺的なトピックのままである。^[4]

疲れた光は、遠方の銀河は距離に比例して赤方偏移しているというエドウィン・ハッブルの観察から生まれたアイデアです。赤方偏移とは、物体から放射される電磁波のスペクトルが低いエネルギーと周波数の方向へシフトすることであり、ドップラー効果の現象に関連しています。ヴェスト・スライファーなどの渦巻き星雲の観測者は、これらの物体 (現在では別々の銀河であることがわかっています) は、その位置に関係なく、青方偏移よりも赤方偏移を示すことが一般的であることを観察しました。この関係はすべての方向に当てはまるため、赤方偏移と青方偏移の組み合わせを示す背景に対する通常の動きに起因するものではありません。すべてのものは天の川銀河から遠ざかっています。ハッブルの貢献は、赤方偏移の大きさが銀河までの距離と強く相関していることを示したことです。

1927年、ジョルジュ・ルメートルはスライファーとハッブルのデータを基に、この相関関係がアインシュタインの重力理論の方程式の非静的解、すなわちフリードマン・ルメートル解に当てはまることに気づいた。しかし、ルメートルの論文が評価されたのは、1929年のハッブルの論文発表後だった。この解における普遍的な赤方偏移と距離の関係は、膨張する宇宙がヌル時空間隔（「光のような」測地線とも呼ばれる）を移動する光子に与える影響に起因する。この定式化では、ドップラー効果に類似した効果がまだあったが、膨張する宇宙では距離がさまざまな方法で定義できるため、相対速度はより慎重に扱う必要がある。

同時に、一般相対性理論と一致しない他の説明も提案された。エドワード・ミルンは、特殊相対性理論とは両立するが一般相対性理論とは両立しない説明として、赤方偏移を説明できる巨大爆発があったという説明を提唱した（ミルン宇宙を参照）。他の人は、系統的効果によって赤方偏移と距離の相関関係を説明できると提案した。この考えに沿って、フリッツ・ツビッキーは1929年に「疲れた光」メカニズムを提唱した。 ^[5]ツビッキーは、光子が静止した宇宙を長距離移動するにつれて、物質や他の光子との相互作用、または何らかの新しい物理的メカニズムによって、ゆっくりとエネルギーを失う可能性があると示唆した。エネルギーの減少は光の波長の増加に対応するため、この効果によりスペクトル線の赤方偏移が生じ、光源からの距離に比例して増加する。「疲れた光」という用語は、このアイデアを指す方法として、1930年代初頭にリチャード・トールマンによって造られた。 ^[6]ヘルゲ・クラーグは「ツビッキーの仮説は膨張宇宙に対する最もよく知られた最も精巧な代替案であったが、唯一のものからは程遠いものであった。1930年代には、10人以上の物理学者、天文学者、アマチュア科学者が、星雲の光子が銀河間物質と相互作用し、そのエネルギーの一部を移すという共通の仮定を持つ疲労光理論を提唱した」と述べている。クラーグは特にジョン・クインシー・スチュワート、ウィリアム・ダンカン・マクミラン、ヴァルター・ネルンストを指摘した。^[7]

疲れた光メカニズムは、ビッグバン宇宙論と定常 宇宙論の代替として提案されたものの1つであり、どちらもFRW計量の一般相対論的宇宙膨張に依存していました。20世紀半ばを通じて、ほとんどの宇宙論者はこれら2つのパラダイムのいずれかを支持していましたが、特に一般相対性理論の代替案に取り組んでいた少数の科学者は、疲れた光の代替案で研究していました。^{[8] 20世紀後半に}観測宇宙論の分野が発展し、関連データがより多く正確になったため、ビッグバンは観測的証拠によって最も支持される宇宙論として浮上し、宇宙の状態と進化を正確に指定する現在のパラメーター化を備えた受け入れられたコンセンサスモデルであり続けています。 「疲れた光宇宙論」の提案は、今では多かれ少なかれ歴史のゴミ箱に追いやられていますが、完全に代替案として、疲れた光宇宙論は、1980年代まで宇宙論のテキストで検討する価値のある遠い可能性と考えられていましたが、主流の天体物理学者からはありそうもないアドホックな提案として却下されました。^[9]

1990 年代から 21 世紀にかけて、数々の反証的な観測により、「疲れた光」仮説は宇宙の赤方偏移の有効な説明ではないことが示されました。^[2]たとえば、疲れた光のメカニズムを持つ静的な宇宙では、星や銀河の表面輝度は一定であるはずです。つまり、物体が遠くなるほど、私たちが受け取る光は少なくなりますが、その見かけの面積も減少するため、受け取った光を見かけの面積で割った値は一定であるはずです。膨張する宇宙では、表面輝度は距離とともに減少します。観測される物体が遠ざかるにつれて、光子の放出率は低下します。これは、各光子が前の光子よりも少し長い距離を移動する必要があるためです。また、距離が長くなると赤方偏移が増加するため、そのエネルギーはわずかに減少します。一方、膨張する宇宙では、光子が移動を開始したときに物体が私たちに近かったため、物体は実際よりも大きく見えます。これにより、静的な宇宙と膨張する宇宙では、物体の表面輝度に違いが生じます。これはトールマン表面輝度テストとして知られており、これらの研究では膨張宇宙仮説を支持し、静的疲労光モデルを排除しています。^{[10] [11] [12]}

赤方偏移は直接観測可能であり、宇宙論者は過去を振り返る時間の直接的な尺度として用いる。彼らはしばしば、物体の年齢や距離を、年や光年ではなく赤方偏移で表す。このような尺度では、ビッグバンは無限大の赤方偏移に相当する。^{[10]膨張宇宙を包含しない} 重力の代替理論は、赤方偏移と距離の対応関係を説明するために、一般相対性理論の膨張計量とは独自の代替理論を必要とする。このような理論は「疲れた光宇宙論」と呼ばれることもあるが、すべての著者が必ずしも歴史的前例を認識しているわけではない。^[13]

一般に、あらゆる「疲れた光」メカニズムは、観測される赤方偏移が以下の点においていくつかの基本的な問題を解決する必要があります。

• どの波長帯でも同じ測定が可能
• ぼやけない
• 超新星データで観測された詳細なハッブルの関係に従う（加速宇宙を参照）
• 宇宙論的に遠い出来事に関連する時間の遅れを説明します。

長年にわたり、疲れた光のメカニズムが数多く提案されてきた。フリッツ・ツビッキーは、これらのモデルを提案した論文で、いくつかの赤方偏移の説明を調査し、自らいくつかを除外した。疲れた光理論の最も単純な形は、移動距離とともに光子のエネルギーが指数関数的に減少することを想定している。ここで、は光源から離れた場所にある光子のエネルギー、は光源にある光子のエネルギー、は「空間の抵抗」を特徴付ける大きな定数である。ハッブルの法則に対応するには、定数は数ギガパーセクでなければならない。たとえば、ツビッキーは、統合されたコンプトン効果が上記モデルのスケール正規化を説明できるかどうかを検討した。 $${\displaystyle E(x)=E_{0}\exp \left(-{\frac {x}{R_{0}}}\right)}$$${\displaystyle E(x)}$${\displaystyle x}$${\displaystyle E_{0}}$${\displaystyle R_{0}}$${\displaystyle R_{0}}$

... 遠方の星雲から来る光は、それらの自由電子によるコンプトン効果によって赤色にシフトするだろう[星間空間で] [...] しかし、すべての方向に散乱された光は星間空間を耐え難いほど不透明にし、上記の説明は成り立たなくなる。 [...] コンプトン効果やラマン効果などの散乱プロセスに基づく説明は、画像の鮮明度に関して絶望的な立場に立つことは明らかである。 ^[5]

宇宙的に遠い天体のこの予想される「ぼやけ」は観測証拠では確認されていないが、これを確実に証明するには当時利用可能なものよりもはるかに大きな望遠鏡が必要になるだろう。代わりに、ツヴィッキーは赤方偏移距離関係について、一種のザックス・ウルフ効果による説明を提案した。

銀河の中心からの距離によって静的重力ポテンシャルが異なるため、スペクトル線がシフトすることが予想される。もちろん、この効果は観測された銀河と我々のシステムとの距離とは関係がないため、この論文で議論されている現象を説明することはできない。^[5]

ツヴィッキーの提案は、後の観察によれば、反証可能であるとして慎重に提示された。

... [a] コンプトン効果の重力類似物 [...] 上記の赤方偏移により、これらの吸収線が赤色に向かって非対称に広がることは容易にわかります。これらの線が十分に高い分散で撮影できる場合、線の重心の変位により、光が放出されるシステムの速度とは無関係に赤方偏移が得られます。^[5]

このような吸収線の広がりは高赤方偏移の天体では見られないため、この特定の仮説は誤りであることが証明される。^[14]

ツヴィッキーはまた、同じ論文の中で、疲れた光モデルによれば、我々の銀河系内の光源からの光には、距離と赤方偏移の関係が必然的に存在する（たとえ赤方偏移が小さすぎて測定が難しいとしても）が、これは後退速度に基づく理論では現れない、と指摘している。彼は、我々の銀河系内の光源について、「観測される物体の固有速度とは無関係に赤方偏移を決定することが特に望ましい」と書いている。^[5]その後、天文学者は銀河系の三次元速度位置位相空間を辛抱強くマッピングし、銀河系の物体の赤方偏移と青方偏移が渦巻銀河の統計的分布とよく一致し、固有の赤方偏移成分の影響を排除していることを発見した。^[15]

1935年にズウィッキーに続いて、エドウィン・ハッブルとリチャード・トールマンは後退赤方偏移と非後退赤方偏移を比較し、

しかし、両者とも、赤方偏移が遠ざかる運動によるものではないとすれば、その説明にはおそらくまったく新しい物理原理が関係してくるだろうという意見に傾いている。[...]そして、静的なアインシュタインの宇宙モデルの使用と、星雲から放出された光子が観測者に到達するまでに、距離に比例して周波数が減少する未知の効果によってエネルギーを失うという仮定を組み合わせる。この効果は横方向の偏向はほとんどない。^[16]

これらの条件を満たすことはほぼ不可能となり、赤方偏移と距離の関係に対する一般相対論的説明が全体的に成功したことが、宇宙のビッグバンモデルが研究者に好まれる宇宙論であり続ける主な理由の 1 つです。

1950年代初頭、エルヴィン・フィンレイ＝フロイントリッヒは赤方偏移を「放射場を横切る観測光子によるエネルギー損失の結果」と提唱した。^{[17]これは、}マンチェスター大学の物理学教授PFブラウンが1962年にネイチャー誌に発表した天体物理学理論の論文で、赤方偏移と距離の関係の説明として引用され、論じられた。 ^[18]著名な宇宙論者ラルフ・アッシャー・アルファーは、この提案に応えて3か月後にネイチャー誌に手紙を書き、このアプローチを厳しく批判し、「この損失について、一般的に受け入れられている物理的なメカニズムは提案されていない」と述べた。^{[19]それでも、} WMAP宇宙探査機と現代の赤方偏移調査の結果によっていわゆる「精密宇宙論の時代」が到来するまで、^{[20]疲れた光モデルが主流のジャーナルに時折掲載されることがありました。その中には、1979年2月号の}ネイチャー誌に掲載された、曲がった時空での「光子崩壊」を提案するモデル^[21]も含まれていましたが、5か月後に同じジャーナルで、太陽の縁で観測された重力赤方偏移の観測と完全に矛盾していると批判されました。^[22] 1986年には、疲れた光理論が宇宙の膨張よりも赤方偏移をよりよく説明できると主張する論文が天体物理学ジャーナルに掲載されましたが、^[23] 10か月後、同じジャーナルで、そのような疲れた光モデルが既存の観測と矛盾していることが示されました。^[24]宇宙論の測定がより正確になり、宇宙論データセットの統計が改善されるにつれて、疲れた光の提案は最終的に誤りであることが証明され、^{[1] [2] [3]} 2001年にサイエンスライターのチャールズ・セイフによって「30年前は物理学の限界にしっかりと位置していたが、科学者たちは宇宙の膨張のより直接的な証拠を求めていた」と評されるほどになった。^[25]

• 分散（光学）