宇宙論の大きな謎の一つに対する解決策

最近の研究は、宇宙の膨張率の測定値の不一致である「ハッブル張力」が、代替の MOND 重力理論を使用して解決できる可能性があることを示唆しています。 この理論は、局所的な物質密度の違いが観察された不一致の原因であることを示唆しています。

ボン大学とセント・アンドリュース大学によって実施されたこの研究は、ハッブル・ジッターの新たな説明の可能性を示唆しています。

宇宙は膨張しています。 これがどれほど速いかは、いわゆるハッブル・ラメーター定数によって表されます。 しかし、この定数の実際のサイズについては意見の相違があり、測定方法が異なると矛盾した値が得られます。 このいわゆる「ハッブル張力」は、宇宙論者に謎を投げかけています。 現在、ボン大学とセント・アンドリュース大学の研究者らは、新しい解決策を提案しています。代替重力理論を使用すると、測定値の不一致が簡単に説明でき、ハッブル・ジッターが消滅します。 この研究は現在、 王立天文学協会 (MNRAS) の月次通知。

宇宙の膨張を理解する

宇宙の膨張により、銀河は互いに遠ざかります。 彼らがこれを行う速度は、それらの間の距離に比例します。 たとえば、銀河 A が地球から銀河 B の 2 倍の距離にある場合、私たちからの距離も 2 倍の速さで増加します。 アメリカの天文学者エドウィン・ハッブルは、この関係を最初に認識した人の一人です。

2 つの銀河が互いにどれくらいの速度で遠ざかっていくかを計算するには、それらの銀河がどれだけ離れているかを知る必要があります。 ただし、これには、この距離を乗算する定数も必要です。 これはいわゆるハッブル・ラメーター定数であり、宇宙論の基本的なパラメーターです。 その値は、たとえば、宇宙の非常に遠い領域を見ることによって決定できます。 これにより、時速約 244,000 キロメートルの速度が得られます。 メガパーセク 距離 (1 メガパーセクは 300 万光年強です)。

(青、黄色の点は個々の銀河を表します。) 天の川（緑）は物質が少ない領域にあります。 泡の中の銀河は、より高い物質密度に向かって移動しています (赤い矢印)。 したがって、宇宙は泡の中でより速く膨張しているように見えます。 画像出典: A.G. Krupa/ボン大学

測定値の不一致

「しかし、私たちにはるかに近い天体、いわゆるクラス 1A 超新星も見ることができます。これは、爆発する星の一種です」と、ヘルムホルツ放射線核物理学研究所のパベル・クルパ教授は説明します。大学。 ボン大学。 超新星 1a から地球までの距離を非常に正確に測定することが可能です。 また、明るい物体は私たちから遠ざかるにつれて色が変化し、移動速度が速いほど変化が強くなることもわかっています。 これは、救急車のサイレンの音が私たちから遠ざかるにつれて大きくなるのと似ています。

ここで、色の変化から超新星 1a の速度を計算し、これを距離に関連付けると、ハッブル・ラメーター定数の異なる値、つまり距離 100 万パーセクあたり時速 264,000 キロメートル弱が得られます。 「宇宙は、私たちのすぐ近く、つまり約30億光年の距離で、全体よりも速く膨張しているようです」とクルパ氏は言う。 「そして、それは実際にあるべきではありません。」

しかし、これを説明できる可能性のある観察が最近明らかになりました。 これによると、地球は、ケーキの中の気泡のような物質が比較的少ない宇宙領域に位置しています。 物質の密度は気泡の周囲でより高くなります。 この周囲の物質から重力が生じ、泡の中の銀河が空洞の端に向かって引っ張られます。 セント・アンドルーズ大学のインドラニル・バニク博士は、「それが、彼らが実際の予想よりも早く私たちから遠ざかっている理由だ」と説明する。 したがって、異常は局所的な「密度低下」によって単純に説明できます。

実際、別の研究グループは最近、6 億光年離れた多数の銀河の平均速度を測定しました。 今回の研究に参加したクルパ研究グループのセルゲイ・マズレンコ氏は、「これらの銀河は、宇宙論の標準モデルが許容する速度よりも4倍の速さで私たちから遠ざかっていることが判明した」と説明する。

宇宙の生地の中の泡

これは、標準モデルではそのような低密度または「バブル」が提供されていないためです。これらは実際には存在すべきではありません。 代わりに、マテリアルは空間内に均等に分散される必要があります。 しかし、もしそうだとすると、銀河を高速に押し上げる力を説明するのは難しいでしょう。

「標準模型は、重力の性質に関するアルバート アインシュタインの理論に基づいています」とクルパ氏は言います。 「しかし、重力はアインシュタインの予測とは異なる振る舞いをする可能性があります。」 ボン大学とセント・アンドリュース大学の作業グループは、コンピューター シミュレーションで修正された重力理論を使用しました。 この「修正ニュートン力学」（略称：MOND）は、イスラエルの物理学者モルデハイ・ミルグロム博士によって40年前に提案されました。 それは今日に至るまで依然として外部理論とみなされています。 「私たちの計算では、MOND はそのようなバブルの存在を正確に予測しています」とクルパ氏は言います。

重力が実際にミルグロムの仮定に従って動作すると仮定すると、ハッブル張力は消滅します。実際には宇宙の膨張には定数が 1 つだけ存在し、観測された偏差は物質の不規則な分布によるものでしょう。

参考文献: 「250 時間にわたるハッブル テンソルと観測されたバルク フラックスの同時分解能 −1 メガパーセク」、Sergey Mazurenko、Indranil Banik、Pavel Krupa、Moritz Hasselbauer 著、2023 年 11 月 2 日、 王立天文協会の月次通知。
土井: 10.1093/mnras/stad3357

ボン大学に加えて、セント・アンドリュース大学（スコットランド）とプラハのカレル大学（チェコ共和国）もこの研究に参加した。 この研究は英国科学技術施設評議会から資金提供を受けました。