宇宙の加速膨張は何を意味するのか？ ダークエネルギーの性質に迫る
宇宙の加速膨張という驚き
私たちの宇宙は膨張している、という事実はアインシュタインの一般相対性理論やハッブルによる銀河の観測以来、広く受け入れられています。しかし、1990年代後半、宇宙の膨張が時間とともに加速しているという驚くべき観測結果が発表されました。これは、遠方の超新星（Ia型超新星と呼ばれる、ほぼ同じ明るさで輝く星の爆発）の観測から明らかになったものです。
重力は本来、物質同士を引き付ける力です。そのため、宇宙にある物質やエネルギーの重力によって、宇宙の膨張は時間とともに遅くなる、あるいはいつか収縮に転じるだろうと考えられていました。加速膨張は、この常識に反するものでした。まるで、宇宙全体を外側へ押し広げるような、未知の反発力が働いているかのようです。
この未知の反発力を生み出す原因として提唱されたのが、「ダークエネルギー」です。宇宙の主要な構成要素であるダークマター、ダークエネルギー、そして私たちが知っている普通の物質のうち、ダークエネルギーは宇宙全体のエネルギー密度の約7割を占めていると考えられています。これは、宇宙の運命を左右するほど支配的な存在ですが、その正体や性質は依然として大きな謎に包まれています。
加速膨張を裏付ける証拠
Ia型超新星の観測が加速膨張の直接的な証拠とされていますが、それを補強する他の観測からもダークエネルギーの存在は支持されています。
- 宇宙マイクロ波背景放射（CMB）： 宇宙誕生から約38万年後の光の観測。CMBの温度のむら（ゆらぎ）のパターンは、宇宙の初期の状態やその後の進化に関する情報を含んでおり、ダークエネルギーを含む宇宙モデルとよく一致します。
- 大規模構造： 銀河や銀河団が宇宙にどのように分布しているか（宇宙の大規模構造）の観測も、ダークエネルギーの存在を強く示唆しています。ダークエネルギーは重力による構造形成を妨げるように働くため、その分布パターンに影響を与えます。
- バリオン音響振動（BAO）： 宇宙初期に発生した音波の痕跡が、現在の銀河の分布に特定のパターン（周期的な「さざ波」のような構造）として残っています。このBAOスケールを測定することで、異なる時代の宇宙の距離を測ることができ、加速膨張の証拠となります。
これらの観測から、現在の宇宙は確かに加速膨張しており、その原因は「ダークエネルギー」と呼ばれる何かである、ということが標準的な宇宙モデルとして確立されています。
ダークエネルギーの正体と性質を探る
では、ダークエネルギーとは一体何なのでしょうか。最も単純で有力視されている候補は、「宇宙定数」と呼ばれるものです。これは、アインシュタインがかつて自身の重力場方程式に導入した項で、空間自体に宿るエネルギー密度が一定であると考えるモデルです。もしダークエネルギーが宇宙定数であれば、そのエネルギー密度は宇宙が膨張しても薄まることなく一定であるため、宇宙が大きくなるにつれてその「反発力」が相対的に強くなり、加速膨張を引き起こします。標準的な宇宙モデルである「Λ-CDMモデル」の「Λ（ラムダ）」は、この宇宙定数を指しています。
しかし、宇宙定数モデルには謎もあります。素粒子物理学の理論から宇宙定数のエネルギー密度を計算すると、観測される値よりもはるかに、桁違いに大きな値になってしまうのです。なぜこれほどまでに小さな値なのか、全く説明がつきません。
そのため、宇宙定数以外のダークエネルギーモデルも提唱されています。例えば、「クインテッセンス」と呼ばれるモデルでは、ダークエネルギーは宇宙全体に広がる未知の「スカラー場」であり、そのエネルギー密度や性質が時間や空間によって変化する可能性が考えられています。
ダークエネルギーの性質を理解するためには、その「状態方程式」を精密に測定することが重要です。状態方程式は、その物質やエネルギーがどのように振る舞うかを記述するもので、ダークエネルギーの場合は「圧力」と「エネルギー密度」の比率を示す「w」というパラメーターで表されます。宇宙定数の場合はw = -1 です。もしダークエネルギーが宇宙定数ではない場合、wの値は-1からずれ、さらに時間とともに変化する可能性もあります。
最新の観測プロジェクトが迫るダークエネルギーの謎
ダークエネルギーの状態方程式wやその変化を精密に測定し、宇宙定数モデルが正しいのか、それとも別のモデルが必要なのかを明らかにするために、世界中で大規模な観測プロジェクトが進められています。
- Euclid衛星: 欧州宇宙機関（ESA）が打ち上げた宇宙望遠鏡で、広大な宇宙の3次元マップを作成し、大規模構造や重力レンズ効果を高精度で観測することで、ダークエネルギーの性質を詳細に調べます。
- Vera C. Rubin天文台（旧LSST）： チリに建設中の巨大な地上望遠鏡で、10年かけて南天の宇宙を繰り返し観測し、Ia型超新星、重力レンズ、大規模構造などの膨大なデータを取得することで、ダークエネルギーの性質や進化に迫ります。
- Square Kilometre Array Observatory (SKAO): 建設中の世界最大級の電波望遠鏡アレイ。遠方宇宙の水素ガスの分布を観測し、BAOなどを通じて宇宙の膨張史とダークエネルギーを研究します。
これらの最先端の観測は、これまでにない精度で宇宙の構造や膨張を捉え、ダークエネルギーの状態方程式wの値が時間や空間で変化するかどうかなど、その性質に決定的な制約を与えると期待されています。
まとめ：宇宙の未来と新しい物理学
宇宙の加速膨張は、ダークエネルギーという最も大きな未解明現象の一つを私たちに突きつけました。その正体が宇宙定数なのか、それとも未知の物理法則に基づく何か別の存在なのかを明らかにすることは、宇宙の過去から未来（例えば、宇宙が今後どう膨張し続けるか、ビッグリップのような終焉を迎える可能性はあるのか）を知る上で不可欠です。
さらに、ダークエネルギーの性質の解明は、素粒子物理学の標準模型を超える新しい物理学の発見にも繋がる可能性があります。宇宙の加速膨張という現象を通じて、私たちは今、宇宙の最も深遠な謎の一つに直接向き合っていると言えるでしょう。今後の観測データの解析が進むにつれて、この見えないエネルギーのベールが少しずつ剥がされていくことが期待されます。