ダークマターと宇宙論を少しだけ

これは専門的な記事ではなく、一般の方が理解しやすいように宇宙にの事項を説明しているものです。

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・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・・・とされています。

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」に沿って考えられているものですから、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のですが、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・・・として話を進めます。

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%」に過ぎないという驚愕の結果を示しました。

そして、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」という事も示して、それが、現在の宇宙の形だ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、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、この考え方で、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、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。

宇宙の大部分を占める、観測で捉えられていないダークマターやダークエネルギーですが、その他の宇宙研究でも、その存在が確認できないけれども、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。

現在のところは、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なので)がないと、現在の「大きく広がった宇宙」の形にはならなかっただろう・・・と考えられていて、WMAPの画像では、銀河や物質(すなわち、観測できるもの)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

ダークマターやダークエネルギーが何なのかを特定できないのですが、今後の研究で、約5%だというバリオンの量の数字が変わってくる可能性もありますし、現在の考え方や宇宙に関する数値も、いつひっくり返るかわからないものですが、上の宇宙の構成比率は、現在のところで「最も確からしい」という数字といえます。

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、広がり方に「ムラがある」とわかってきたことから、「火の玉宇宙」が均一に広がって現在の宇宙があるのではなく、インフレーションという急激に膨張したこと示唆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が働いてビッグバンのきっかけを与えた・・・というものなのですが、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ので、それは後ほど紹介します。

温度ムラといっても、非常に小さい温度差

WMAPの測定した温度差は、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。

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、超高温であった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、重い元素は超新星爆発などでできる以外は生成されないのですが、これは、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。

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がでてきています。

WMAPによって様々な成果が・・・

WMAPは、宇宙の大きさやや年齢の決定、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、その他を含めて、いろいろな成果を得ました。

ただ、この宇宙の大きさなどについては、いろいろな数字があるように、考え方のもとになる考え方の違いで、これが正しい・・・と言えないのですが、その他の探査機のデータが出るにつれて、次第に明らかになってくるのでしょう。

WMAPは、パワースペクトルの周期から三角測量的に算出して「宇宙の年齢は約137億年で、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、現在の宇宙は138億光年というの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ているものですし、138億光年は、光速度とハッブル係数で算出されるものですが、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るのですが、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ので、これらも正しくないと言えるのですが、大は小を兼ねるので、小さくなる数字を見たことがありませんし、私の子供の頃は100億年以下だった記憶もあるので、間違っていても適当に覚えておいていい数字かもしれません。

新しい探査機が打ち上げられてデータが出れば、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。

 

見えない物質を探すこと

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が行われているのは確かです。

現実味があるのは超極微の「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」が考えられますが、

そのために、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をしようというのですが、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に他に、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考えた数学的にアプローチしようと言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、まだまだその仮設を検証していく段階ではない感じがします。

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ます。

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が、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

この図は素粒子物理学の標準理論での、物質を構成する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程度で、詳しいことはこれからという段階です。

質量があると、ダークマター候補になりそうですが、現在のところは、ダークマターの量に匹敵する質量でないので、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、よくわかっていないということなのでしょう。

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」を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るのですが、その「ヒッグス場」と「ヒッグス粒子」は違うので注意しておくといいでしょう。

最先端の物質の根源を探求する施設:CERN

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

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、核子などを高速で衝突させて出てくる素粒子を調べるという、原子物理学からのアプローチでそれ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ないのですが、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、ここを設立した「お金を拠出した」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、日本国内では積極的に取り上げられて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遅れていることはありません。

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。

ここでの成果も楽しみです。

これらはもちろん確定された理論ではありませんが、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、標準理論の素粒子で宇宙の構造が分かってくることになりますし、質量などが検証されなければ、新たな仮説に沿って解明していかなければならないようになりますし、その過程で、仮説同士が真っ向から対立していくでしょう。

これらも今後の研究で次第に明らかになるのですが、ノーベル賞の対象を見ていると、論文を出してから10年程度の年月を経過しないと表彰されていないので、ダークマターやダークエネルギーの解明となると、まだまだ時間がかかりそうです。

宇宙に関する理論

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ですが、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。

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ですが、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ります。

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、この考え方が一般的になるまでは時間がかかりそうです。

これら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できませんが、私なりの簡単な紹介を示しておきます。

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」と考えると、現在考えられている素粒子について説明できる・・・というものです。

これは、検証が難しい数学的な理論で、誰もが頭の中でイメージできるものではないので、そのイメージが持てるような説明が出てくるまでには、まだまだ時間がかかるような気がしますが、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のですが、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、時間をかければ人間が解明できそうな感じがするものなのです。

しかし、この多次元宇宙やマルチユニバースは、現在の宇宙に並行したり交差している、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。

考え方としては問題ないのですが、その存在が検証できる何かがなければ、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。

現在の宇宙の考え方にも、「観測できる宇宙のはての向こう側」や「ビッグバンの前」という話題にする人がいるのですが、これらは本来、考えてはいけないものですが、問題提起をする人はなくなりませんので、これと同様に、見えない宇宙がある・・・という考えがあっても問題ではないのですが、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。

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が、このように、いろいろな宇宙論は無数に提唱されているのかもしれません。

そして、仮説は事実を見つける素になるので、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、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。

 

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どのような方向に進むのかはわからない所も多い状況ですが、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