天文学者たちは、現代宇宙論の中心的な仮定の 1 つである「宇宙は最大規模で均一に振る舞う」という仮説を検証する新しい方法を開発しました。この方法を実際の観測データに適用することで、研究者らは、この仮定が完全には満たされていない可能性があるという暫定的な兆候を発見しました。これは、理論を超えた新しい物理学を示している可能性があります。 標準宇宙モデル。
この研究では、遠く離れた星の爆発の観察と大規模銀河の研究を組み合わせて、宇宙が実際にフリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー（FLRW）宇宙論として知られるほぼ100年前の数学的枠組みに従っているかどうかを調査している。分析により、標準モデルの予測からのわずかではあるが興味深い逸脱が明らかになりました。
「FLRW曲率一貫性テストの驚くべき違反を確認しました。これは、標準モデルを超えた新しい物理学を示唆しています」と研究の共著者は述べています。 アスタ・ハイネセンコペンハーゲンのニールス・ボーア研究所とロンドンのクイーン・メアリー大学の物理学者はライブ・サイエンスに電子メールで語り、空間の曲率はどこでも同じであるという仮定に言及した。 「これはいくつかの影響によるものである可能性がありますが、経験的にわかっているFLRW違反の原因に対処するにはさらなる研究が必要です。」
結果は、 シリーズ の 三つ 論文 これは、宇宙論のための新しい診断テストを導入し、既存の観測データセットに適用します。論文は arXiv プレプリント サーバーで入手できますが、まだ査読されていません。
宇宙論の基礎を試してみる
現代の宇宙論は、十分に大きなスケールで見ると、宇宙は均質かつ等方性である、つまり物質は均一に分布しており、宇宙はどの方向でもほぼ同じに見えるという前提に基づいています。この考えは、冷たいラムダ暗黒物質として知られる宇宙論の標準モデルの基礎を形成する FLRW 宇宙論の基礎となっています。
しかし、現実の宇宙にはもつれが含まれています 宇宙の網 銀河、銀河団、ボイドとして知られる巨大な空の領域。ハイネセン氏によれば、この複雑さは、FLRW の説明が常に完全に当てはまるわけではないことを意味します。
「FLRW宇宙論は、最大限に対称な空間を持つ時空を想定している」とハイネセン氏は語った。 「銀河団や空虚な空間などの宇宙構造が存在する場合には、FLRW時空を超える必要がある。」
研究者らは、宇宙の見かけの幾何学形状を歪める可能性がある 2 つの影響に注目しました。 1 つはダイアー・ローダー効果です。これは、遠く離れた物体からの光が、物質が豊富な環境ではなく、主に空間の何もない領域を通って伝わる傾向があるために発生します。これにより物理学者は宇宙の物質密度の多くを失う可能性があり、「それによって私たちにとって宇宙は実際よりも空っぽに見えるようになるだろう」とハイネセン氏は説明した。
2 番目の可能性には、宇宙論的フィードバックと呼ばれる効果が関係します。このシナリオでは、大規模な宇宙構造の成長により、宇宙自体の平均膨張が変化します。
DESI の 3 年間の宇宙地図は、時空における物質の分布を示しています。 DESI やその他の調査データに基づく新しい研究は、宇宙論の標準モデルの更新が必要である可能性があることを示しています。
(画像クレジット: DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor)
宇宙の幾何学をテストする新しい方法
これらの可能性を調査するために、研究者らは、観測データが FLRW 宇宙で期待される規則に従っているかどうかをテストするように設計された数学的一貫性テストを実行しました。特に、彼らは、宇宙の距離と膨張率の測定値を比較する方法であるクラークソン・バセット・ルー検定の変形を使用しました。
チームは、宇宙が FLRW の想定に完全に従っていない場合でも機能する、より一般的なフレームワークを開発しました。
彼らはまた、観測データから直接宇宙膨張の歴史を再構築するための、シンボリック回帰として知られる機械学習技術も導入しました。このメソッドは、事前定義された宇宙論モデルを仮定する代わりに、データに最も適合する数式を探します。
Pantheon+ 超新星カタログの観測結果と、ダークエネルギー分光装置 (DESI) の測定値を使用します。これは、主要な国際プロジェクトです。 宇宙中の何百万もの銀河の地図を作成する – 研究者たちは、宇宙が時間の経過とともにどれほどの速度で膨張したかを再構築しました。彼らはまた、初期宇宙の高温プラズマ中を伝わった音波によって残された銀河の分布における古代のパターンを追跡するバリオン音響振動調査のデータも使用した。
分析により、標準的な FLRW 宇宙論の予測からの小さいながらも潜在的に重要な逸脱が明らかになりました。データセットと分析方法に応じて、不一致は約 2 ～ 4 シグマの統計的有意性に達しました。物理学では、シグマは純粋な偶然によって結果が生じる確率を測定します。通常、科学者が発見を主張するには 5 シグマの結果が必要であるため、新しい発見は暫定的なものです。それでも、この結果は、予期せぬ何かが宇宙の形状や膨張に影響を与えている可能性があることを示唆しています。
「主な発見は、利用可能な宇宙論データからダイアーローダー効果と逆反応効果を直接測定でき、これらの効果を暗黒エネルギー進化や修正された重力理論などの標準宇宙論モデルの他の変更と明確に区別できることです」とハイネセン氏は述べた。 「これほど直接的な方法ではこれまで不可能でした。これが私たちの仕事における画期的な進歩だと思います。」
課題と今後の方向性
研究者らは、証拠はまだ暫定的なものであると警告した。現在の宇宙論的データは、特にさまざまな時代における宇宙の膨張率の測定に関しては、まだ比較的不足しています。シンボリック回帰手法では、さらなる研究が必要な不確実性も生じます。
著者らは論文の中で、明らかなFLRW違反が本物かどうかを判断するには、今後の調査による観察結果の改善が不可欠であると強調した。
「もしこれらが示したFLRW幾何学からの逸脱が本物であれば、それは宇宙論的張力を解決すると考えられる宇宙論的解のほとんどが – ダークエネルギーの進化または相互作用彼らは、FLRWの枠組み内の新しいタイプの物質やエネルギー、改変された重力、および関連するアイデアを除外している」と研究者らは書いている。
次のステップでは、新しい理論的フレームワークをより大規模でより正確なデータセットに適用することが含まれます。 「これは、私たちの理論的結果をデータに適用して標準モデルをテストし、Dyer-Roeder 効果と逆反応効果に対する制約を生み出すことです」とハイネセン氏は述べています。
この手法はすでに既存の天体観測で使用できるため、宇宙が本当に標準的な宇宙論で想定されている単純で大規模な構図に従っているのか、それとも隠された複雑さが宇宙進化の理解を再構築しているのかについて、研究者らは近いうちにより明確な答えを得ることができるかもしれない。
