ダークマターと宇宙論

宇宙は、星などを構成する物質(バリオン)が5%程度で、その他はダークマター・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いうのですが、それは、アインシュタインの一般相対性理論に基づいた考え方の基づいているといい、そうでなければ、または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。

それらを取り巻く研究の状況などを見ていきます。 ダークマターについてはこちらにも記事を書いています。

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NASAの発表が驚愕的に

2001年にアメリカが打ち上げた観測衛星WMAPで、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%」に過ぎないという驚愕の結果でした。

そして、残りが正体不明の物質というのです。(後の欧州のプランク探査機によって、WMAPの数字は修正されています)

宇宙の構成物質NASAのHPより

もちろん、これは宇宙が「ビッグバン」で始まったとする考え方に立っての考察に沿ってNASAは考えているということですが、宇宙論者の中には、未だに、ずっと宇宙の大きさというのは変わらないという「定常宇宙論」という考え方など、ビッグバン説とは違った考え方をしている人もいます。(これは当然で、現在もよくわからないことが多すぎるためです)

WMAPは、宇宙生成初期のなごりの「宇宙背景放射」のムラを観測したのですが、その密度にムラがあって、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がわかってきており、それが、現在の宇宙を作っていると考えられています。

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、インフレーションやビッグバンとの宇宙が生まれたときの膨張のときの「ゆらぎ」がこれらの探査機によって発見されたということで、それ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、その状態を調べて宇宙ができた時の状態を考えていこう・・・というのが現在の段階だと考えていいでしょう。

(重力波はアインシュタインが存在を予想したもので、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て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)

 

その他の研究では、ダークマターやダークエネルギーは、星や星雲を作っているもとになっていて、希薄に分布するガス状の物質が集まって星になり銀河を形成しているといいます。

もしも、そうでなければ、現在の宇宙の形にはならなかっただろう・・・と考えられています。

WMAPの画像では、銀河や物質の分布は泡のようになっている「宇宙の大規模構造」と呼ばれる状態になっており、その泡の継ぎ目(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

このあたりの検討が進めば、約5%だというバリオンの量が変わってくる可能性もあり、「こうだ!」という現在の考え方や数値も、いつひっくり返るかわからないものです。

 

WMAPの前に打ち上げられたCOBEの調査結果で、宇宙の初期状態は高温の火の玉のようなもので、それが均一に広がって今の宇宙があるのではなく、広がり方に「ムラがある」とわかリました。

それによって、インフレーションという考え方がクローズアップされてきました。

・・・と言っても、温度にして0.0002Kという、気の狂うような高精度測定をして色分けしているのが上の写真ですので、すごいものですが、それで宇宙の広がり方を考えていくのも、まだまだ難しいことはもちろんです。

 

元素の出来かたを考えると、宇宙の膨張の過程で水素などの軽い物質はできるのですが、重い元素は超新星爆発などでできる以外は生成されません。これはほぼ定説です。

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、物質面からは決定的な考え方ができないというのが現在の見方です。

ここから、量子力学でいう「真空」の持つエネルギーや多次元という宇宙の状態を推定する考え方がでてきています。

 

この宇宙の大きさですが、いろいろな数字があるようですし、探査機のデータが出るにつれて、ここ数年で、1億光年単位で大きい数字に変わっているところを見ると、まだまだいろいろわかっていないことが多すぎるのでしょう。

宇宙の大きさや物質の分布を算出する方法は、探査機から得られたパワースペクトルの周期から三角測量的に算出されたものです。

宇宙の年齢もその数値を用いて、空間の膨張を考慮して算出されていますので、新しい探査機が打ち上げられてデータが出れば、どんどん変わっていくのは当然かも知れません。

そこで出てきた「超対称性理論」

上記の素粒子(陽子や中性子を構成するもの=物質)とは別に、「目に見えない(反物質など)別の物質がある」・・・というのが「超対称理論」ですが、目に見えない物質が「重い粒子」であればつじつまが合ってくる・・・ということになります。

しかし、重い「何か」は見つかっていませんし、「軽い」ものであれば、その考え方自体を変えなければいけないことになります。

 

宇宙を考える理論というのは、そのような仮説でしかないのですが、この仮説がなければ先に進めませんので、これらの理論も、仮説の域を出ていないということです。

 

ノーベル賞を取っ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でも関係する、『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』とする考え方からこのことが考えられるようで、その結果、エネルギー的に安定した「真空」から変化したものがダークマターやダークエネルギーではないだろうか・・・という考え方は強力な説のようです。

つまり、真空(この場合は、量子真空)に内在するエネルギーが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。

とは言うものの、これももちろん、それを示すものは今のところ何も発見されていません

 

ヒッグス粒子や未発見の素粒子の質量か?

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といえます。

「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ます。

ここで注意する点は、現在は、ビッグバンが起こって真空が相転移たときに「ヒッグス粒子で満たされた」として、「ヒッグス場」を標準理論に適用するとうまくいくという考え方があるのですが、その「ヒッグス場」と「ヒッグス粒子」違うのです。

これも仮説ですが、こう考えると、辻褄が合うことが多いというのですが、これらも次第に明らかになるのでしょう。

そして、最新の情報では、ヒッグス粒子にも質量があるという状況です。

質量があると、ダークマター候補として検討できます。しかし、それに合致しない結果もあって、さらにいろいろな議論が起こっている・・・という段階のようです。

しかし、水面下でのことで、特に大きなトピックも発表されていないようなので、具体的には、「仮説」の息を出ないということになり、結局はよくわかっていないということなのでしょう。

 

物質の根源を探求するCERN

スイスとフランスにまたがるところの研究所にある「CERN(セルン/サーン)」。

ここは、素粒子などの物理学研究をする機関で、大型の加速器で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はニュースなどでご存知と思います。

宇宙を構成している大部分が、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、原子物理学からアプローチしてそれを解明しようとしているのです。

しかし残念ながら、ここでは日本の科学者も研究に携わっていますが、ここを設立した「主要なメンバー国」ではないので、ここの研究や最新の話題などは、日本国内では積極的に取り上げられてニュースに上がりません。

そのこともあって、(仕方がないことですが)日本国内ではCERNの最先端の話題は表舞台に出てこない可能性があります。

残念ながら、科学は「お金」と結びついており、日本は大してお金を出していないので上に立てない・・・というような一面もあるのは仕方のないことです。

しかし日本の科学者も頑張っています

日本の研究者も頑張っています。

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ますので、素粒子研究において、決して日本の研究が遅れているということではないのです。

 

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。

ここでの成果も楽しみですね。

 

これはもちろん確定された理論ではありませんが、もしそうであって、ヒッグス粒子の量や質量がわかってくると、先の超対称性理論と真っ向から対立することになります。これは今後の研究で次第に明らかになるでしょう。

 

ということで、現在のところ、暗黒物質は「真空の持つエネルギーのようなもの」と、発見されていないものを含めた「素粒子のようなもの」という可能性が考えられている状態で、まだ謎は解けていないという状況です。

そして、とどのつまりは、ダークマターやダークエネルギーは結局ここまででも、今のところ「わからない」という状態です。

 

真空のエネルギー?

このように、しばしば話題にあがる『真空のエネルギー』ですが、真空とは、何もない状態ではなく、エネルギーを持った状態にあって、目に見えない次元などが絡まって物質を生み出すという事が考えられるというのです。

 

新理論

現在の宇宙について考える理論は、相対性理論と素粒子論が両頭となっていますが、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・・・という、サイズで言うと両極端ではうまく行っているのに、普遍的に宇宙を説明するにはうまくいかない・・・とされています。

そのために、それらの融合を考える以外に、全く違う宇宙の状態を考える考え方からアプローチしようという考え方があり、たとえば、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あります。

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考え方があります。

超弦理論多次元宇宙マルチユニバースなどの考え方がそれですが、そのような、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ている人がいます。

これらの理論のどれをとっても、素人の私にはわかりにくい話なので、これら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はなく、そういうこととはまったく別の話(理論)のような内容です。

 

それぞれの人(科学者)は、全く異なる考え方で今の宇宙がある(出来てきた)と考えているのですが、現在は、「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」という考え方が主流であるために、それに沿っての宇宙記述が多いのです。

それとは別の多次元宇宙の話がでてくると、それはアイデアとしては面白いのですが、案だけでても、検証されていないものですので、なんとも言えないものとしか言えません。

しかし、センセーショなるに雑誌に紹介されると、何か新事実のように聞こえてきて、それが素人の私達をさらにわかりにくくさせてしまっているようなところもあります。

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ということのようです。

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。

結局、何がなんだかわからない?

宇宙を考えるための図宇宙って、なんだろう?

現在のところ、物理天文学等による宇宙の解明はどのような方向に進むのかはわかりませんが、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?

宇宙の彼方を知ったところで何になる?

私のような一般ピープルに夢を与えてくれる宇宙や物質のことですが、現実的ではないことは承知のうえです。

こんな事を言うと叱られるかもしれませんが、太陽の隣の恒星までの距離が4光年といいます。

kmに換算すると、4(光年)x30万(光速)x60x60x24x365≒37800000000000kmで、現在人間が作った太陽系を抜け出して飛んでいる、人類最速の人工物であるボイジャーの速度を、おまけを付けて25km/sとしても、そこに行くまでに48000年(間違っているかもしれないので疑問のある方は検算ください)かかるのです。

そして、行き着いたところが太陽と同じ灼熱地獄なので、多分、ワープ航法があって超耐熱合金ロケットができたとしても、人類が行くとは考えられません。

だから、宇宙を知ってなにになる?・・・ということですが、しかし、相対性理論や粒子論などの一般ピープルにはわかりにくい内容のものでも、原子時計やカーナビなどで今の生活に無くてはならない技術として生きています。

宇宙が何かわからなくても、それを頭の中に描いて追求する科学者にエールを送りたくなります。この難解な理論がいつかは人類に役立つことは確かなのですから・・・。

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この文章を時間をおいて読み返すたびに、自分でも説明できていないおかしいところが次々見つかります。ただ、素人の私にわかるように丁寧に教えてくれる書籍は非常に少なく、そして、先端理論は読める能力があるものしかわからないと言えるので、わからない部分はいつまでもわからないし、書く側も「これを数式で示しても一般の方は理解しにくい」というように逃げてしまいがちです。

そのため、興味本位の娯楽本程度の内容の書物が氾濫しているのは確かです。だからともかく、私がわからないところを自分にわからせながらこのHPを書いて見ましたが難しいものです。もちろん訂正も含めて加筆して行く予定ですのでご容赦ください。

 


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)H31.1 文章作成 H31.3 見直し  R1.7 見直し  R1.10 見直し


WMAPの画像(NASA) 10分間で読むダークマターやダークエネルギーの話

電子の2重スリット実験Wikipedia 相対性理論と量子理論は何が違うのか