宇宙背景重力波が解き明かすダークマター誕生の秘密：宇宙初期の相転移を探る
宇宙の三大未解明現象と宇宙初期の謎
私たちの宇宙の約8割を占めるとされる、目に見えない謎の物質「ダークマター」。そして、宇宙の加速膨張を引き起こしているとされる、さらに謎に包まれたエネルギー「ダークエネルギー」。これら深遠な宇宙の謎は、現在の宇宙論における最大の課題の一つです。その正体を探る試みは多岐にわたりますが、手がかりの一つは、宇宙が誕生して間もない「宇宙初期」に隠されていると考えられています。
宇宙がどのように始まり、進化してきたのかを知ることは、ダークマターやダークエネルギーといった宇宙の主役たちの性質や起源を理解する上で極めて重要です。特に、ダークマターがいつ、どのように誕生したのか、そのプロセスには様々な理論が存在します。有力なシナリオの一つが、宇宙初期に起こったとされる「相転移」です。そして、この宇宙初期の出来事を直接探る唯一の手段と考えられているのが、「宇宙背景重力波」なのです。
宇宙背景重力波とは？：宇宙創成の「さざめき」
宇宙背景重力波とは、宇宙全体に満ちている、あらゆる方向からやってくる重力波の「ざわめき」のようなものです。遠い宇宙の現象から発生する重力波が時間とともに弱まり、まるでノイズのように重なり合って背景として存在しているイメージです。
私たちは近年、ブラックホールや中性子星の合体から発生する比較的強い重力波を検出できるようになりました。しかし、宇宙背景重力波は、それらの突発的なイベントによる重力波とは異なり、宇宙の非常に早期に起こった出来事によって発生し、現在まで残り続けていると考えられています。
宇宙が誕生して間もない頃は、非常に高温・高密度のプラズマ状態にありました。光（電磁波）はこのプラズマの中を自由に移動できず、宇宙の晴れ上がり（宇宙誕生から約38万年後）以降の情報しか私たちに届きません。宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、この晴れ上がり時の宇宙の姿を映し出した「最古の光」ですが、それ以前のさらに古い時代の情報は直接的には得られません。
一方、重力波は時空そのものの歪みであり、物質や光とほとんど相互作用しません。この性質から、重力波は宇宙の超早期、光が自由に飛び回れなかった時代に起こった出来事の情報を、そのまま現在まで運び続けていると考えられています。つまり、宇宙背景重力波を観測できれば、CMBよりもさらに昔の、宇宙が本当に「生まれたて」だった頃の姿を垣間見ることができる可能性があるのです。
宇宙初期の相転移とダークマターの誕生
宇宙初期には、いくつかの劇的な「相転移」が起こったと考えられています。相転移とは、物質の状態が変化する現象に似ています。例えば、水が冷えて氷になったり、熱せられて水蒸気になるように、宇宙全体を満たす場の状態や基本的な性質が急激に変化した時期があったかもしれません。
宇宙論で考えられている相転移には、素粒子間の相互作用の性質が変わる「電弱相転移」や、物質が陽子や中性子といったハドロンを形成する「QCD相転移」などがあります。これらの相転移が起こる過程で、宇宙に存在する様々な素粒子が現在の質量を獲得したり、特定の種類の粒子が大量に生成されたりしたと考えられています。
ダークマターがもし、宇宙初期に生成された特定の素粒子であるならば、その生成メカニズムはこのような相転移と深く関わっている可能性があります。例えば、ある相転移が起こる際に、通常よりも大量に生成され、かつ安定で弱い相互作用しかしない粒子（これがダークマター候補粒子）が「置き去り」にされたというシナリオです。
相転移はどのように宇宙背景重力波を生むか？
では、なぜ宇宙初期の相転移が宇宙背景重力波を生むと考えられるのでしょうか？ 特に、急激な一次相転移のような現象が起こる場合、まるで沸騰するお湯の中に気泡ができるように、宇宙の中に異なる相の「泡」ができます。この泡が膨張し、互いに衝突したり合体したりする過程は、時空を激しく揺るがします。
この「泡の衝突」や、相転移に伴うプラズマの乱流といった現象は、特徴的な周波数や強度を持つ重力波を発生させます。発生した重力波は、その後宇宙が膨張するにつれて引き伸ばされ、現在の宇宙では非常に低い周波数帯の宇宙背景重力波として存在していると考えられています。
もし宇宙背景重力波を観測し、その周波数スペクトル（どの周波数の重力波がどれくらいの強度で存在するか）を精密に測定することができれば、それは宇宙初期にどのような種類の相転移が、いつ、どれくらいのエネルギーで起こったのかという「指紋」となります。この指紋を解析することで、特定のダークマター生成シナリオ（例えば、ある相転移によってダークマターが生成されたというモデル）が実際に起こり得たのかどうかを検証したり、ダークマター候補粒子の質量や相互作用の強さに制約を与えたりすることが可能になるのです。
宇宙背景重力波観測の最前線
宇宙背景重力波の観測は非常に困難ですが、世界中で様々なプロジェクトが挑戦しています。
低い周波数帯（ナノヘルツ帯）の宇宙背景重力波は、パルサー・タイミング・アレイ（PTA）と呼ばれる観測手法で探索されています。これは、宇宙に多数存在する高速回転する中性子星であるパルサーからの電波パルスの到達時刻を精密に測定し、宇宙背景重力波による時空の歪みがパルス到達時刻に与える微小な遅延や進みを検出するものです。最近、複数のPTAグループが、この周波数帯で宇宙背景重力波の存在を示唆する弱い信号を検出したと発表しており、大きな注目を集めています。
より高い周波数帯（ミリヘルツ〜ヘルツ帯）の宇宙背景重力波は、将来の宇宙重力波望遠鏡であるLISA（Laser Interferometer Space Antenna）のようなプロジェクトが観測を目指しています。LISAは宇宙空間に複数の衛星を配置し、レーザー干渉計を用いて衛星間の距離の微小な変化（時空の歪み）を検出する計画です。
これらの観測が実現し、宇宙背景重力波の存在が確認され、その性質が詳しく調べられるようになれば、宇宙初期の相転移に関する理解は飛躍的に進むでしょう。そしてそれは、ダークマターがどのようにこの宇宙に遍在する存在となったのか、その深遠な謎を解き明かす決定的な手がかりとなるかもしれません。
まとめ：宇宙の「さざめき」が語るダークマターの素顔
宇宙背景重力波は、私たちに届くことのない光のさらに奥、宇宙が誕生した瞬間の情報を含んでいる可能性のある、まさに「宇宙創成のさざめき」です。この重力波を観測することは、宇宙初期に起こった相転移の様子を知る鍵となり、ひいてはダークマターがどのように誕生したのかという謎に迫る重要な手がかりを与えてくれます。
パルサー・タイミング・アレイによる最近の観測結果や、LISAのような将来計画は、宇宙背景重力波を捉え、宇宙初期の深淵な秘密を解き明かす可能性を示しています。ダークマターの正体、そして私たちの宇宙がどのようにして現在の姿になったのか。宇宙背景重力波の研究は、これらの根源的な問いに対する答えを見つけるための、新たな窓を開きつつあります。今後の観測成果から目が離せません。