NASA 科学技術庁

1990年代初頭、宇宙の膨張について一つのことがかなり確かだった。 それは、膨張を止めて再崩壊するだけのエネルギー密度があるかもしれないし、膨張が止まらないほどのエネルギー密度がないかもしれないが、重力が時間の経過とともに膨張を遅らせることは確実だった。 しかし、重力は時間の経過とともに確実に膨張を遅らせます。 宇宙は物質であふれていて、重力という引力がすべての物質を引き寄せているのだから。 しかし、1998年にハッブル宇宙望遠鏡（HST）が遠方の超新星を観測したことで、大昔の宇宙は現在よりもゆっくりと膨張していたことがわかりました。 つまり、宇宙の膨張は、誰もが考えていたような重力による減速ではなく、加速していたのです。 誰もこれを予想していませんでしたし、誰もこれを説明する方法を知りませんでした。

最終的に理論家たちは3種類の説明を考えました。 それは、アインシュタインの重力理論のうち、「宇宙定数」と呼ばれるものを含んだ、長い間捨てられていたバージョンの結果ではないか。 奇妙なエネルギー流体が空間を満たしていたのかもしれない。 もしかしたら、アインシュタインの重力理論には何か問題があり、新しい理論には、この宇宙の加速を生み出す何らかのフィールドが含まれているのかもしれません。 理論家たちはまだ正しい説明を知らないが、その解決策に名前をつけた。

What Is Dark Energy?

知られていることよりも知られていないことの方が多いのです。 暗黒エネルギーがどのくらいあるかは、それが宇宙の膨張にどのように影響するかがわかっているからです。 それ以外はまったくの謎です。 しかし、これは重要な謎です。 宇宙の約68％が暗黒エネルギーで、暗黒物質は約27％です。 暗黒物質は約27％です。 残りは、地球上のすべてのもの、我々のすべての機器で観測されたすべてのもの、すべての通常の物質ですが、これらを合わせても宇宙の5％にも満たないのです。 考えてみると、宇宙のごく一部である以上、「通常の」物質と呼ぶべきではないのかもしれません。

この図は、150億年前に宇宙が誕生してからの膨張率の変化を示しています。 曲線が浅ければ浅いほど、膨張率が速いことを示しています。 曲線の変化が顕著なのは75億年前頃で、この頃から宇宙の物体が速いスピードで飛び散るようになりました。

Credit: NASA/STSci/Ann Feild

暗黒エネルギーの説明の1つは、それが空間の性質であるというものです。 アルバート・アインシュタインは、何もない空間が無ではないことを最初に理解した人物です。 宇宙には驚くべき特性があり、その多くは解明され始めたばかりです。 アインシュタインが発見した最初の性質は、「より多くの空間が存在することが可能である」というものでした。 そして、アインシュタインの重力理論のうち、宇宙定数を含むバージョンでは、2つ目の予言がなされています。 “それは、「空っぽの空間」が自らのエネルギーを持つことです。 それは、「空っぽの空間」がエネルギーを持っているということです。このエネルギーは空間そのものの性質なので、空間が広がってもエネルギーが薄まることはありません。 空間が増えれば増えるほど、この「空間のエネルギー」も増えていきます。 その結果、このエネルギーによって宇宙はどんどん広がっていくのです。 残念ながら、なぜ宇宙定数が存在しなければならないのか、ましてや、なぜ宇宙の加速を引き起こすのに適した値になるのか、誰も理解していません。

この画像は、合体している銀河団Abell 520の中心部における暗黒物質、銀河、高温ガスの分布を示しています。

空間がエネルギーを獲得する方法についてのもう一つの説明は、物質の量子論から来ています。 この理論では、「何もない空間」は実際には、絶えず形成されては消えていく一時的な（「仮想」）粒子で満たされています。 しかし、物理学者が空の空間にどれだけのエネルギーを与えるかを計算しようとしたところ、答えは間違っていたのです。 10120倍になってしまったのです。 これは、1の後に0が120個付いた数字です。 こんなに悪い答えはなかなか出ません。

ダークエネルギーのもう1つの説明は、新しい種類の動的なエネルギー流体またはフィールドであり、空間全体を満たしているが、宇宙の膨張に与える影響は、物質や通常のエネルギーとは逆であるというものです。 ある理論家は、これをギリシャの哲学者の第5元素にちなんで「クインテッセンス」と名付けました。 しかし、もし「クインテッセンス」が答えだとしても、それがどのようなものなのか、何と相互作用するのか、なぜ存在するのかは、まだわかっていません。

最後の可能性は、アインシュタインの重力理論が正しくないということです。 そうなると、宇宙の膨張に影響を与えるだけでなく、銀河や銀河団に含まれる通常の物質の振る舞いにも影響を与えることになります。 この事実は、ダークエネルギー問題の解決策が新しい重力理論であるかどうかを判断する方法として、銀河がどのように集まっているかを観察することができます。 しかし、仮に新しい重力理論が必要だとしたら、それはどのような理論なのでしょうか。 アインシュタインの理論で知られているように、太陽系内の天体の運動を正しく記述しながら、私たちが必要としている別の宇宙の予測をするにはどうしたらよいのでしょうか。 候補となる理論はありますが、どれも説得力がありません。

暗黒エネルギーの可能性（空間の特性、新しい動的流体、または重力の新しい理論）を決定するために必要なのは、より多くのデータ、より良いデータです。

暗黒物質とは

宇宙の組成の理論モデルを、一連の宇宙観測結果に適合させることにより、科学者たちは上述した組成、すなわち暗黒エネルギーが約68%、暗黒物質が約27%、通常の物質が約5%を導き出しました。

暗黒物質が何であるかよりも、何でないかの方がはるかに確かです。 まず、暗黒物質とは、私たちが見ている星や惑星の形をしていないことを意味します。 観測結果によると、目に見える物質が宇宙にあまりにも少ないため、観測で必要とされる27％を占めることができません。 2つ目は、通常の物質（バリオンと呼ばれる粒子で構成された物質）が暗い雲の形で存在していないことです。 このことは、バリオン雲を通過する放射線の吸収によって、バリオン雲を検出することができることからわかります。 第三に、暗黒物質は反物質ではありません。なぜなら、反物質が物質と対消滅したときに発生する独特のガンマ線が見えないからです。 最後に、銀河系サイズの大きなブラックホールは、「重力レンズ」がどれだけあるかという点で除外できます。 高濃度の物質は、遠くの物体からその近くを通過する光を曲げますが、そのような物体が必要な暗黒物質の25%を占めることを示唆するほどのレンズ現象は見られません。

これまでに見られた最も複雑で劇的な銀河団同士の衝突の一つが、このアベル2744の新しい合成画像に収められています。 青は総質量濃度(主に暗黒物質)のマップを示しています。

しかしながら、現時点では、まだいくつかの暗黒物質の可能性が残っています。 バリオン物質は、すべてが褐色矮星や重元素の小さくて高密度な塊に結びついていれば、まだ暗黒物質を構成することができます。 このような可能性は、「マッシブ・コンパクト・ハロー・オブジェクト（MACHO）」と呼ばれています。

最近の発見

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