宇宙望遠鏡科学研究所(STScI)などの研究チームは、NASAのハッブル宇宙望遠鏡による最新の観測データを用いて、宇宙の膨張速度を精密に計算した。その速度は従来予想されていた値よりもかなり速く、既存の宇宙論では説明がつかないものであることがわかってきたという。宇宙膨張を合理的に説明するための新しい物理学理論が要求されている。研究論文は「The Astrophysical Journal」に掲載された。
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ハッブル宇宙望遠鏡を用いて宇宙膨張速度(ハッブル定数)の精密測定を行った。画像はハッブル定数の決定に必要な天体までの距離の測定方法を説明したもの。距離決定に利用する天体の数を増やすために観測範囲を従来の10倍に拡大している(Credits: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU))
最新の観測データによる宇宙の膨張速度は、ビッグバン直後の初期宇宙の膨張から予想されていた値を上回っているという。予測値と観測値の不一致を説明するためには何らかの新しい物理学理論が必要になると考えられている。
宇宙の加速膨張に関する研究で2011年にノーベル物理学賞受賞者で今回の研究を主導しているAdam Riess氏(STScIおよびジョンズ・ホプキンズ大学)は「研究者コミュニティーは今、この不一致の意味を理解することに取り組んでいるところだ」とコメントしている。
研究チームは過去6年間、ハッブル宇宙望遠鏡を使って地球からさまざまな銀河までの距離を精査してきた。この測定値は、ハッブル定数(時間の経過とともに宇宙がどれだけの速さで膨張しているかを表す値)の計算に使われる。今回の研究では、分析対象とする天体(ケフェウス型変光星およびIa型超新星)の数が拡大されており、最大でこれまでの10倍という広範囲の天体について調べたという。
欧州宇宙機関(ESA)が運用するプランク衛星による宇宙マイクロ波背景放射(CMB：cosmic microwave background)のデータをもとに、ビッグバン直後(約138億年前の宇宙創成から37万8000年後)の初期宇宙の膨張を観測した先行研究があるが、今回の研究で計算されたハッブル定数は、この初期宇宙の膨張から予想される値を上回っている。2つの値の相違は約9％であり、この値の不一致が偶然の産物である確率は1/5000という低さであるという。
プランク衛星のデータから予想される宇宙の現在のハッブル定数は67km毎秒毎メガパーセクであり、69km毎秒毎メガパーセクよりも速い可能性はないとされてきた。これは1メガパーセク(＝330万光年)離れるごとに毎秒67kmだけ速度が加算され、遠くの宇宙ほど膨張速度が上がるという意味である。
一方、今回の研究チームが算定したハッブル定数は、73km毎秒毎メガパーセクとなっている。これはCMBの観測値にもとづく初期宇宙の膨張から予想される現在の宇宙膨張速度の上限値を超えていることになる。
ハッブル宇宙望遠鏡のデータは非常に精密なものであるため、プランク衛星のデータにもとづいて予想した宇宙膨張速度との乖離を測定誤差として片付けるわけにはいかない。Riess氏は「どちらのデータも複数の方法で検証されている。したがって互いに無関係ないくつものミスが連続して起こったのでない限り、この不一致は測定上のミスではなく、宇宙の特性から来ているものである可能性が高い」と説明している。
Riess氏は、プランク衛星とハッブル宇宙望遠鏡のデータが一致しない理由を説明するための仮説をいくつか挙げている。その1つはダークエネルギーに関係するもので、宇宙の加速膨張における加速度が一定ではなく、加速度自体が時間とともに変化するというものである。
もう1つの仮説は、「ステライルニュートリノ」などと呼ばれる未発見の素粒子が存在するというものである。ステライルニュートリノは、ニュートリノ同様に光速に近い速度で動くが、通常のニュートリノのように弱い力での相互作用をせず、重力だけが相互作用の力として働くと考えられている。
さらに別の仮説として、未知の重力源であるダークマターに関するものもある。ダークマターは通常の物質や電磁波と相互作用しないため観測が困難とされてきたが、これまで考えられてきたよりも通常の物質や電磁波との相互作用が強いと仮定するのだという。
いずれの仮説を採用した場合も、初期宇宙の様相が変わるため既存の理論モデルからは矛盾が生じる。矛盾のある理論を使って初期宇宙の観測結果から推定したハッブル定数は誤った値になると考えられ、ハッブル宇宙望遠鏡の観測結果にもとづくハッブル定数とは食い違うことになる。
研究チームはこの問題についてまだ答えを出しておらず、今後も引き続き宇宙の膨張率に関する研究を続けていくとしている。
