宇宙構造の成長は不思議なことに抑制された

初期宇宙の物質がゆっくりと合体して後期宇宙のより大きな宇宙構造になる様子を芸術的に表現したもの。 クレジット: Minh Nguyen、ミシガン大学、Thanh Nguyen (夫)

科学者たちは、宇宙構造の成長がアインシュタインの一般相対性理論で予測されていたよりも遅く、暗黒エネルギーがこれまで考えられていたよりも支配的な抑制的な役割を果たしていることを発見した。 この発見は、暗黒物質、暗黒エネルギー、および基本的な宇宙論に対する私たちの理解を再構築する可能性があります。

宇宙が進化するにつれて、科学者は大きな宇宙構造が一定の速度で成長すると予想しています。つまり、銀河団などの高密度領域はより高密度に成長し、一方、宇宙の真空はより空っぽになります。

しかし、ミシガン大学の研究者らは、これらの大きな構造の成長速度がアインシュタインの一般相対性理論によって予測されたよりも遅いことを発見しました。

彼らはまた、ダークエネルギーが宇宙の世界的な膨張を加速させている一方で、研究者らがデータで見ている宇宙構造の成長の抑制は理論が予測するよりも顕著であることも示した。 彼らの結果は9月11日付けの雑誌に掲載されました。 物理的なレビューレター。

宇宙の網

銀河は、巨大な宇宙の蜘蛛の巣のように、私たちの宇宙全体で相互接続されています。 それらの分布はランダムではありません。 代わりに、それらは一緒にクラスター化する傾向があります。 実際、宇宙の網全体は初期宇宙では小さな物質の塊として始まり、徐々に個々の銀河に成長し、最終的には銀河団とフィラメントに成長しました。

「宇宙の時間の経過とともに、小さな質量のかたまりが、重力相互作用を通じてその局所領域からより多くの物質を引きつけ、蓄積します。その領域の密度が濃くなるにつれて、「最終的にはそれ自体の重力で崩壊します。」

「つまり、それらが崩壊するにつれて、塊の密度が増加します。それが成長という意味です。それは、1次元、2次元、3次元の崩壊が葉、糸、結び目のように見える織機のようなものです。現実は 3 つの状態の組み合わせであり、銀河がスレッドに沿って存在し、銀河団 (数千の銀河の集合体) は重力によって束縛されている宇宙で最も巨大な物体であるが、ノード内に存在します。

暗黒エネルギーと宇宙の膨張

宇宙は物質だけでできているわけではありません。 ダークエネルギーと呼ばれる謎の成分も含まれている可能性があります。 ダークエネルギーは地球規模で宇宙の膨張を加速させています。 暗黒エネルギーは宇宙の膨張を加速しますが、より大きな構造には逆の効果をもたらします。

「重力が物質の摂動を促進して大規模な構造に成長する増幅器として機能する場合、ダークエネルギーはこれらの摂動を抑制する役割を果たし、構造の成長を遅らせます」とグエン氏は述べた。 「宇宙の構造がどのように組み立てられ成長するかを研究することで、重力と暗黒エネルギーの性質を理解することができます。」

方法論とプローブ

グエン氏、メリーランド大学物理学教授ドラガン・ヒューテラー氏、メリーランド大学大学院生ユーユ・ウェン氏は、いくつかの宇宙論的探査機を使用して、宇宙時間にわたる大規模構造の時間的成長を調べた。

まず、研究チームはいわゆる宇宙マイクロ波背景放射を使用しました。 宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) は、…の直後に放出される光子で構成されます。 大爆発。 これらの光子は、非常に初期の宇宙のスナップショットを提供します。 光子が望遠鏡に到達するとき、その経路に沿った広範な構造によって光子の経路が歪んだり、重力の影響を受ける可能性があります。 研究者はそれらを調べることで、私たちと宇宙マイクロ波背景放射の間に構造や物質がどのように分布しているかを推測することができます。

グエン氏らは、銀河の形状に弱い重力レンズがかかるという同様の現象を利用した。 背景の銀河からの光は、前景の物質や銀河との重力相互作用によって歪められます。 次に、宇宙学者はこれらの歪みを解読して、介在する物質がどのように分布しているかを判断します。

「重要なことは、CMB 銀河と背景銀河は私たちや望遠鏡からの距離が異なるため、銀河の弱い重力レンズ効果は通常、CMB の弱い重力レンズ効果よりも遅く物質の分布を調査することです」とグエン氏は述べました。

構造の成長を後世まで追跡するために、研究者らは局所宇宙の銀河の動きも利用した。 銀河が下にある宇宙構造の重力の井戸に落ちると、その運動は構造の成長に直接追従します。

「現在に近づくにつれて、私たちが検出するであろう成長率の違いはより顕著になります」とグエン氏は述べた。 「個別に、そして集合的に、これらのさまざまな調査は成長阻害を示しています。これらのプローブのそれぞれで何らかの系統的誤差が見落とされているか、標準モデルの後期段階の新しい物理学が見落とされているかのどちらかです。」

ストレス対応 S8

この結果は、宇宙論におけるいわゆる S8 張力に対処する可能性があります。 S8 は、構造の成長を表すパラメータです。 科学者が S8 の値を決定するために 2 つの異なる方法を使用しているにもかかわらず、意見が一致しない場合、緊張が生じます。 宇宙マイクロ波背景放射からの光子を使用する最初の方法は、弱い銀河重力レンズと銀河団測定から推定される値よりも高い S8 値を示します。

これらのプローブはいずれも、今日の構造の成長を測定するものではありません。 代わりに、彼らは初期の時代の構造を調べ、標準モデルを仮定して、それらの測定値を現在に外挿しました。 宇宙初期の宇宙マイクロ波背景プローブの構造と、宇宙後期の弱い銀河重力レンズとクラスタープローブの構造。

グエン氏によると、後期成長抑制に関する研究者の発見は、2つのS8値が完全に一致することになるという。

「異形成抑制の統計的有意性の高さに私たちは驚きました」とヒュッターラー氏は語った。 「正直に言うと、宇宙は私たちに何かを伝えようとしているように感じます。宇宙学者としての私たちの今の仕事は、これらの結果を解釈することです。」

「私たちは、成長抑制の統計的証拠を強化したいと考えています。また、ダークマターとダークエネルギーを使用した標準模型で予想されるよりも構造の成長がなぜ遅いのかという、より難しい質問に対する答えも理解したいと考えています。この影響は、次のような原因によって引き起こされる可能性があります。」暗黒エネルギーと暗黒物質、またはその他の拡張の新しい特性。」 一般相対性理論と標準模型については、まだ考えていません。

参考文献：「共形宇宙論モデルにおける構造成長の抑制の証拠」Nhat Minh Nguyen、Dragan Hutterer、Yue Wen著、2023年9月11日、 物理的なレビューレター。
土井: 10.1103/PhysRevLett.131.111001