ダークマターと宇宙論を簡単にイメージしたいのですが

これは専門的な記事ではありません。一般の方にも読んでいただけるようにして、宇宙の話題を紹介しています。(文字数が多いので、PCが読みやすいです)

宇宙の組成は、星などを構成する物質(バリオン)が5%程度であり、その他はダークマターやダークエネルギーという、全く正体のわからない物質で出来ている・・・とされているのはご存知でしょう。

それは、アインシュタインの一般相対性理論に基づいた「宇宙方程式」に沿って観察をした結果ということで、もちろん、その他の考え方で宇宙を考えると、全く違う宇宙像になるといいます。

一般相対性理論は、現在の主流の考え方ですので、ともかく、よくわからない物質(またはエネルギー)が大半を占めている・・・として、話をはじめます。

NASAの観測衛星WMAPがすごいことを見つけた

2001年にアメリカが打ち上げた、マイクロ波の異方性を探る観測衛星WMAPは、宇宙のあらゆる方向の電波を調べて、宇宙の温度分布やエネルギー総量を算出したところ、「観測できる物質は総量の4%」という驚愕の結果を示しました。

そして、観測できない残りが、正体不明の物質というのです。(このWMAPの数字「4%」については、後の欧州のプランク探査機のものとあわせて、以下のように修正されています)

宇宙の構成物質NASAのHPより

WMAPは、宇宙生成初期のなごりの「宇宙背景放射」の分布密度にムラがあることを計測して、「宇宙のエネルギー分布は、均一に分布しているのではなくて、泡にような構造で分布している」という事を示して、それが、現在考えるれている「宇宙の形」だ・・・としました。

なぜそのような網目状になるのかということも、よくわかっていないようですが、宇宙が急激に膨張したインフレーションや、ビッグバンによって宇宙が生まれたときの膨張時の「ゆらぎ」が、WMAPやプランク探査機によって発見された・・・ということで、宇宙の広がりが、エネルギーや重力波として「さざなみ」のように広がっている・・・としています。

そして、多くの科学者は、この考え方に沿って、宇宙ができた時の状態を考えていこう・・・というのが現在の最新研究のようです。

重力波は、アインシュタインがその存在を予想したもので、アインシュタイン生誕100年後の、2016年になってようやくその存在が確認されましたが、重力波の状態やビッグバンのときに発生した「重力波の解明」が一つの鍵になる・・・として、新たに探査機も打ち上げられており、その成果が期待されています。

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宇宙の大部分を占めている物質を観測したところが、その多くが、全く観測では捉えられていない「ダークマターやダークエネルギー」で、その他の宇宙研究でも、それが何なのかも、確認できていません。 しかし、見える星などが集まるところに、その見えない(見つけられない)何らかの物質が多くあって、それらが星や星雲を作っていて、希薄に分布するガス状の何かが集まって星になり、銀河を形成している・・・と考えられています。

「ダークマターやダークエネルギー」については、現在のところは、いろいろな仮説があるものの、それが何なのかは分かっていないのですが、もしも、何かの見えない物質やエネルギー(すなわち E=mc2  で、エネルギーと質量は同じものですから)がなければ、現在のような「大きく広がった宇宙」の形にはならなかっただろう・・・と考えられることから、WMAPの画像での、銀河や物質(すなわち、観測できるもの)の分布は、泡の接合部分で「網目構造」になっている(これを「宇宙の大規模構造」と呼ばれる) 状態になっており、ダークマターが多くある、その泡の合わさった部分(密度が濃いと見られているところ)で星が生まれている・・・と考えられています。

WMAPの画像(NASA)NASAのHPより

ダークマターやダークエネルギーが何なのかを特定されていけば、現在の「約5%」というバリオン(観察できる物質)の量の数字が変わってくる可能性もありますし、その他でも、現在の考え方や宇宙に関する数値も、急にひっくり返るかもしれませんが、上の宇宙の構成比率は、現在のところで「最も確からしい」という数字といえるのでしょう。

宇宙のムラは初期の宇宙の名残

WMAPの前に打ち上げられた探査機「COBE」の調査結果でも、宇宙の初期状態は、高温の火の玉のようなものであっただろう・・・ということが分かっていたのですが、宇宙の広がり方に「ムラがある」とわかってきて、「火の玉宇宙が均一に広がった結果で、現在の宇宙がある」という考え方とは違う、すなわち、宇宙の膨張の過程で、「インフレーション」という、さらなる急激な膨張があった・・・とする考え方がクローズアップされてきました。

この「インフレーション理論」は、日本の東大教授の佐藤勝彦さんなどが提唱しているもので、ビッグバンによる宇宙の急膨張が起こる以前に、真空の持つエネルギーなどが働いて、ビッグバンのきっかけを与えた・・・というものです。

この真空のエネルギーは「見えない物質」の候補にもなっているものなので、それは後ほど紹介します。

「温度ムラ」といっても、これは、非常に小さい温度差の状態

WMAPの測定した温度差は、0.0002K(2万分の1度)という、気の狂うような高精度測定をしており、それを色分けしているのが上の写真ですので、非常に「すごい」ものですが、それで宇宙の広がり方を考えていこう・・・というのです。

ビッグバンでは重い元素はうまれなかった

元素の出来かたを考えると、超高温高圧の、生まれたての宇宙が膨張する過程では、水素などの軽い物質は核融合してできるのですが、重い元素は、とてつもない力が加わる「超新星爆発」などでできる以外は生成されないという考え方が主流です。

現在の宇宙の存在元素の割合や、安定な原子核ができる核融合の過程から、これが推定できるので、これによってビッグバンの過程が説明できる・・・といいます。

ただ、現在考えられている、宇宙の年齢(138億年)や、大きさ(460億~780億光年以上)を生み出すエネルギーとなると、それが途方もなく大きすぎて、物質面から考えられる、決定的な考え方がでてこない・・・というのが現在の状況ですが、実際に、宇宙がそのような状態になっているというのも不思議なことです。

そのために、量子力学でいう「真空」の持つエネルギーや、宇宙は多次元の中に組み込まれている・・・などの、宇宙の状態を推定する考え方(宇宙論における新仮説)がどんどん出てきています。

WMAPによって様々な成果が・・・

WMAPによって、宇宙の大きさや年齢の決定、宇宙の組成割合、インフレーション宇宙論の可能性や膨張宇宙などの、いろいろな成果が得られました。

ただ、それでも、いろいろな反論もあって、この「宇宙の大きさ」だけを見ても、科学者の間でも、いろいろな数字があるようです。(どんな内容にも、反論はあるのが普通ですから)

このWMAPは、パワースペクトルの周期から、宇宙の大きさを三角測量的に算出して「宇宙の年齢は約137億年であり、宇宙を球体と考えると、大きさは780億光年以上」としたのですが、現在の宇宙の大きさは137億光年や138億光年という数字がよく使われています。

この137億光年は、宇宙の時空は平坦であるとしたもので、138億光年は、光速度とハッブル係数で算出される大きさだということですが、時空が変化しているとすれば、数字は変わってきますし、仮定が変わればどんどん数字は変わります。一つの仮説ということで捉えるといいでしょう。

現在観測される宇宙は、高温でプラズマ状態の「膨張している宇宙」が次第に冷えて、光が直進できるようになったときの境界を見ている『宇宙』なので、それが37万年経ったときですので、数字の見方や考え方で、宇宙の大きさも変わります。

しかし、宇宙が小さくなったということを聞きませんし、私の子供の頃の数十年前には、宇宙の大きさは100億光年以下だった記憶もあるので、これは、「138億年」というように、適当に覚えておいていい数字でしょう。

新しい探査機が打ち上げられたり、新しい観測データが出れば、億年単位で大きくなるかもしれませんし、時空が曲がっていて、ショートカットすると、宇宙の果までは、1億年でたどり着くかもしれないという、現実感のない数字ですから・・・。

見えない物質を探すこと 寄り道して、仮説についての話

宇宙は、ダークマターやダークエネルギーと言われる、地球から観測されない「未知の物質」で構成されているとするのは、ビッグバン理論から派生したものですから、その未知の物質を見つける競争は、科学者の間では熾烈に行われているのでしょう。

これについての、現実味がありそうな物質は、「発見されていない素粒子」や「現在の技術では物理的に観測できないもの」が考えられます。

それを、宇宙探査や新素粒子の探求などを通して、物理的アプローチしようという研究が続けられているとともに、現状の技術で観測できないものを「考え出す」という、理論的な追求も行われています。

例えば、「超対称性理論」と言われるものでは、宇宙には、現在の地球上で解明されている素粒子の他に、反物質などで構成されている・・・という考え方や、超弦理論(超ひも理論)のように、知覚できない次元を加えて、数学的にアプローチしよう・・・などの考え方などがあり、百家争鳴の状況のようですが、その仮設を検証していく段階にも至らない感じで、時間がかかりますが、何年かかるのかはわかりませんが、次第に、方向が見えてくるでしょう。

仮説がないと研究が進めない

宇宙を考える理論のほとんどが「仮説の段階」と言ってもいいのですが、この仮説があって初めて、検証のための一歩を踏み出せるのですから、仮説は非常に大事です。

例えば、ノーベル賞を受賞した南部陽一郎さんの自発的な対称性の破れの統一理論などに関係する、『真空状態では、その対称性が破れて別の系に移るときに質量が発生する』とする考え方から、ダークマターなどの見えない物質は、エネルギー的に安定した「真空」から変化したものではないだろうか・・・という強力な考え方になっているのですから・・・。

これは、真空(この場合は、量子真空)に内在するエネルギーが、あたかも、質量のある物質のように振る舞う・・・ということのようですが、これについてももちろん、それを示すものは今のところ何も発見されていません。 しかし、このような仮説があることによって、何かが発見されていくことは間違いありません。

以下は、見えない物質に関係する話題を紹介します。

 

ヒッグス粒子の発見と見えない物質

2012年に発見された「ヒッグス粒子(Higgs bosson)」ですが、CERNではその正体をさらに明らかにしようとしている最中のようです。

素粒子 WEBの図を加工(WEBの図をお借りしています)

この図は、素粒子物理学の標準理論における、物質を構成する17種の粒子を示していますが、ここにある「ヒッグス粒子」は物質を構成する素粒子の一つと考えられていて、ヒッグス粒子にも質量があるということが分かってきている段階です。(「重力子」は除いています)

もしも、素粒子などが質量を持っておれば、ダークマター候補になりそうです。 しかし、現在のところは、ヒッグス粒子だけでは、ダークマターの量に匹敵する質量に足らないようなので、さらにいろいろと検討が必要・・・という段階のようです。

研究者間では、もっともっと、しっかりした議論がなされているのでしょうが、公表されるまでには時間がかかるので、現状では、まだ、結論が出ていない状況・・・ということですね。

次に、別の話題ですが、ビッグバンが起こって真空が相転移したときに「ヒッグス粒子で満たされた」として、その状態を「ヒッグス場」として、素粒子論の主流となっている「標準理論」に適用すると、素粒子の関係が説明できるという考え方があります。 この「ヒッグス場」と「ヒッグス粒子」の違いは混同しやすいので注意。

最先端の物質の根源を探求する施設:CERN

スイスとフランスの境にある研究所「CERN(セルン/サーン)」は、素粒子などの物理学研究をする機関です。 大型の加速器を使って、ヒッグス粒子などの新しい物質について研究していることを、ニュースなどでご存知でしょう。

宇宙を構成している物質の大部分が、現在観測できない「ダークマターやダークエネルギー」と考えられていますが、このCERNでは、物質を構成する「核子」などを、高速で衝突させて、破壊されて出てくる「素粒子」を調べる・・・ということで、物質の構成を解明しようとしています。

残念ながら、ここでの研究は日本であまり紹介されていません。

これは、日本の科学者も研究に携わっているものの、日本は、CERN設立で「お金をたくさん拠出した」という、主要なメンバー国ではなくて、「設備の建設などで儲けさせてもらった国」なので、ここでの研究や最新の話題などは、たとえ、日本の研究者がやっているとしても、日本のニュースに上がってくることはあまりないでしょう。

残念ながら、科学は「お金」と結びついているので、お金を出していなければ、多くの研究ができない・・・というような一面があるのは仕方のないことです。

しかし日本の科学者も大いに頑張っています

日本では、日本の研究施設では、研究者が頑張っています。

日本では、例えば「スーパーカミオカンデ」や「XMASS」などの、世界から注目される設備を稼働させていて、素粒子研究において、決して日本の研究が、世界より遅れているということではありません。

スーパーカミオカンデは、素粒子「ニュートリノ」の観測を通じて、宇宙生成の謎の解明や太陽内部の活動を探る研究から、陽子崩壊という現象をとらえようとしています。

この陽子崩壊が発見されれば、重力の謎の解明で大統一理論に一歩迫るというのです。

スーパーカミオカンデでは、大量の超純水を使ってニュートリノを検出し研究しようとしていますし、XMASSは、超対称性理論で予測されるニュートラリーノという未知の物質(=ダークマターではないかと考えられている、かなり重い粒子)を-100℃の液体キセノンを使って検出しようというものです。

もちろん、ニュートラリーノが見つかればノーベル賞ものですし、ニュートリノについても、もっといろいろなことがわかってくれば、重力と物質などの関係がわかってくることになるので、いずれにしてもすごい内容を含んでいますから、ここでの成果も楽しみです。

これらは、これから解明されていく理論で、検証を通じて、素粒子の性質や質量などが詳しくわかってくると、先の超対称性理論は棄却されることになって、標準理論の素粒子から、宇宙の構造が分かってくる・・・という流れになるでしょうし、反対に、ある粒子に、質量があることが検証されなければ、それに変わる、新たな仮説を考えて解明していかなければならないようになります。

研究とはそのように、その研究過程で、仮説同士が真っ向から対立して、勝った仮説だけが、理論として残っていきます。

いろいろな仮説は、今後の研究で次第に白黒がつくのですが、ノーベル賞の対象を見ていると、論文を出しても、10年程度以上の年月を経過しないと表彰されないので、ダークマターやダークエネルギーの解明となると、一般人の私のような人が知ることになるのは、まだまだ時間がかかりそうです。

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宇宙に関する理論についてはどうでしょう

現在の宇宙を考える理論では、相対性理論と素粒子論が両頭となっています。

もちろん、それらは、宇宙関連の理論にとどまっているのではなくて、GPSや携帯電話などにその考え方が生かされて実用的レベルになっているのはご承知でしょう。

宇宙を考えていくには、相対論は宇宙の大きなものを扱うのに優れており、素粒子論は、極微の世界で有効・・・と言われていて、全体に適用できるものではないようです。

そのために、それらの融合を考えることとは別に、全く違う宇宙の状態を考えてアプローチしようという考え方が出てくるのは当然です。

その一つを上げると、この宇宙は一つの状態(1つの宇宙)ではなく、いろいろな宇宙が重なり合っているという考え方などがそれで、つまり、小さい1点から宇宙ができたとするビッグバン宇宙ではなく、我々が認識できない別の宇宙を考えようとしているもので、超弦理論多次元宇宙マルチユニバースなどの考え方がある・・・などです。

その考え方では、現在考えられている「3次元世界+時間の4次元」ではなく、もっと多次元を考えることで宇宙の仕組みを考えるというものです。

もちろん、これらは「宇宙論」であり、これらの色々な考え方を融合していくと、ダークマターやダークエネルギーの正体が見えてくるというものでもありませんし、検証していくのが困難なために、これが正しい理論になるまでには、いずれにしても、時間がかかるでしょう。

これらの「多次元宇宙」を考えている科学者は、「ビックバン+インフレーション理論でアインシュタインの宇宙方程式が記述できる」・・・などとは違った「宇宙のすがた」を考えているのです。

ただ、このような話題は、話の種としては面白いのですが、書籍を読んでも現実感がなく、内容もほとんど理解しにくいものなので、私なりに紹介しておきます。

超弦理論

現在の「素粒子理論」では素粒子が物質を作っているとしていますが、先ほど紹介したように、一般相対性理論と量子論の辻褄が合うように統合できる・・・という理論と考えられています。

現在は未発見の「重力子」を含めて、物質の極小限を、現在分かっている素粒子よりも遥かに小さい「プランク長:10-35m」以下の「多次元のひも」だと考えると、現在考えられている素粒子についての説明できる・・・というものです。

これは、検証が難しい数学的な理論なので、科学者や数学者さえも、頭の中で簡単にイメージできるものではないもののようで、科学者レベルで、理論の持つイメージや説明ができるまでには、まだまだ時間がかかるような気がします。

しかし、この考え方を支持する人も増えてきているので、違ったアプローチで素粒子論が進んでいくかもしれませんね。

多次元宇宙やマルチユニバース

現在最も支持されている「ビッグバン宇宙」は、宇宙は微小のものから急膨張して、現在に至っても膨張し続けているという宇宙論ですが、この考え方での、時間的な連続性や、時間・空間・物質(エネルギー)などの関係性については、このビッグバン理論にそって、人間が少しずつ解明してきていることもあって、「ほとんど正しい」とされている主流の考え方です。

しかし、この多次元宇宙やマルチユニバースは、これとは全く違う宇宙像のもので、現在の宇宙に並行したり交差していて、観測ができないか観測が難しい「複数の宇宙」がある・・・という考え方です。

考え方としては、仮説ですので、それでも問題ないのですが、それを示す「なにかの存在事実」が検証されていません。

私達の宇宙から、隣り合った宇宙を見ることが出来ないのなら、これを検証することは出来ないのですが、ある意味で、人間の頭脳の凄さを感じる、ロマンのある仮説ですが、このような考え方が進んでいくということはない感じがします。

人間の考え方は無限

現在の宇宙の考え方や話題には、「観測できる宇宙のはての向こう側」のことや「ビッグバンの前」の状態を話題にする人がいますね。

これらは本来、数学的に考えても無理なので、メインになっている宇宙論では、これを「考えない」ようにするか「目をつむって、分かっているところだけを扱う」として進んでいますが、それでも、問題提起をする人はなくなりません。

私が、「見えない宇宙がある・・・」という考え方を提唱しても、それはそれで「仮説」なので、問題ではありませんが、そうはいっても、それが永久に目に見えなくて実証できないものを考えるのは科学の根本ではないような気もします。その仮説を考えることが、人間の本性からきているのかもしれません。

ただ、SFや空想なら面白いのですが、頭のいい科学者が考えるものではない感じがしますから、まだまだ、これからも、いろいろな宇宙論は無数に提唱されていくでしょう。

もちろん、それらの仮説が、事実・真実を見つける素になるので、少なくとも、考え方を否定をしてはいけませんし、いろいろな考え方があってもいいのですし、また、明らかに真実とされるものについても、反論するのも自由です。それが科学なのでしょう。

 

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光の速さに異論も

アインシュタインの相対性理論は、現在の宇宙的規模の状況をよく表している『定着している考え方』と思っていたら、今はさらに、『光の速さは一定でない』という考え方も出てきているようです。

これらについては少し整理して、別の機会に紹介できればいいのですが、私自身も混乱してよくわかりませんので、知りたい方は他の記述によってください。

さて、宇宙は何で出来ているのでしょう

宇宙を考えるための図宇宙って、なんだろう?

物理天文学等による宇宙の解明は、私を含めた一般人にはわかりませんが、私の頭の中では、時空・素粒子・真空の探求で、宇宙を構成する物質の探求が進んでいくだろう感じを持っています。

もっとも、私の貧弱な頭では、上記の項目1つについても言及することは難しいのですが、きっと、「わからない」が時間をかけて、徐々に「わかる」ようになっていくのでしょう。

長い文章になってしまいましたが、やはり、自分自身でも納得できるまとめ方になっていない感じです。

結論的には、「広大な宇宙の全エネルギーは、星や銀河によるものではなく、目に見えないダークマターやダークエネルギーが大半を占めており、今のところ、それが何なのかがわかっていない。」ということなのですが、ふと、「神のみぞ知る」という言葉が頭に浮かびました。神様は宇宙の起源や行末を知っているのでしょうか?


参考文献 重力波で見える宇宙の始まり(ピエール・ビネトリュイ) 宇宙の始まり、そして終わり(小松英二郎・川端裕人)  眠れなくほど宇宙が面白くなる本(懸英彦) Wikipediaの記事 NASAのHP

(来歴)R5.2月誤字脱字を見直し  最終R5年9月の見直し

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