現在の理論では説明できない「何か」が宇宙の成長を抑制している
何かが間違っているようです。
米国のミシガン大学（UM）で行われた研究によって、既存の宇宙論やアインシュタインの一般相対性理論が扱う重力の理解では宇宙の大規模構造の変化を説明できないことが示されました。
現在の宇宙論では、宇宙を膨張させる暗黒エネルギーと宇宙を収縮させる重力の作用が働いており、暗黒エネルギーの方が勝っているため、宇宙は成長（加速膨張）を続けているとされています。
そして銀河が連なる宇宙の網「大規模構造」の形状もこの理論に従って形を変化させていると考えられています。
しかし研究者たちが観測結果を分析したところ、大規模構造の変化速度は時間経過とともに減速しており、誤差では説明できないレベルに達していることが示されました。
物理学の歴史では、理論と観測結果が大きく乖離する場合、しばしば理論のほうが間違っており、観測結果を説明できる新理論誕生のきっかけになります。
では現行の宇宙論とその根拠となっているアインシュタインの一般相対性理論（重力理論）は、修正されることになってしまうのでしょうか？
研究内容の詳細は2023年9月11日に『Physical Review Letters』にて掲載されました。
目次
- 宇宙の大規模構造の変化は既存の理論では理解できない
宇宙の大規模構造の変化は既存の理論では理解できない
全てがビッグバンによって誕生してから137億8700万年。
宇宙は光の速度を超える速さで膨張を続け、その直径とも言える「観測可能」な宇宙の広さは137億年よりも遥かに大きい、930億光年（28ギガパーセク）に及ぶと考えられています。
そしてこの広大な宇宙には、無数の銀河が網状に分布する「大規模構造」が構成されています。
ただこの大規模構造も不変の存在ではなく、時間が経過するにつれて銀河たちはお互いの重力で接近し合い、網の太さが圧縮され高密度化する一方で、網の目の部分からはますます物質が少なくなっていくと考えられています。
私たちの天の川銀河も隣にあるアンドロメダ銀河と重力で互いに引き合っており、40億年後には大規模な衝突を起こすとされています。
しかし引き付け合う重力がある一方で、宇宙全体の膨張速度は暗黒エネルギーによって加速し続けてていることが知られています。
そのため大規模構造の形状変化を予測するときは、重力による高密度化と暗黒エネルギーによる宇宙膨張の2つを考慮し計算を行うことになっていました。
既存の宇宙論は重力と暗黒エネルギーの組み合わせでできている
ただ近年になり、暗黒エネルギーと関連した、宇宙の膨張率を示すハップル定数が、観測ごとに大きく異なる値を記録することが明らかになってきました。
たとえば定期的に増光する星を基準に測定した場合と、宇宙マイクロ背景放射を基準に測定した場合には、10%ほども値に差が出てしまっていたのです。
日常世界では10%というと誤差のように思えます。
しかし測定が行われるたびに不一致が発生しており、もはやささいなエラーとして無視することはできません。
このような不一致は、宇宙論そのもの、特に暗黒エネルギーの理解について致命的な間違いが潜んでいると考えられています。
そこで今回、ミシガン大学の研究者たちは、マイクロ波背景放射や重力レンズ効果など異なる時期に異なる対称を観測した複数の探査機のデータを分析し、過去から現在にかけて宇宙の大規模構造がどのように変化してきたかを調べることにしました。
既存の宇宙論に問題があるならば、宇宙論をもとに予測される大規模構造の変化についても、理論値と観測結果の間に大きなズレが生じる可能性があったからです。
すると予想通り、宇宙の大規模構造の形状変化が、理論で予測されているよりもかなり遅いことが示されました。
そして変化の遅延は過去から現在に近づくほど大きくなっていることも判明。
また研究者たちは自らの測定値の確かさを評価したところ、標準的な宇宙理論が正しい場合に、今回のようなデータパターンが現れるのは4600分の1（3.7σ）であることがわかりました。
つまり観測結果が正しい場合、既存の宇宙論が正しい確率は4600分の1でしかないのです。
この結果は、現在の重力と暗黒エネルギーをもとにした既存の宇宙論では、実際に宇宙に起きている変化を説明できない可能性を示しています。
アインシュタインの相対性理論も間違っている可能性がある？
しかし研究者たちはデータの分析を続ける中で、より衝撃的な発見をしました。
分析結果は、このズレを引き起こしている原因が、大規模構造の変化において重力の果たす役割が思っていたほど強くなく、暗黒エネルギーの影響のほうが高いためであることを示していたからです。
また暗黒エネルギーそのものに、大規模構造の変化を抑制する効果がある可能性がみつかりました。
宇宙空間にある物体は全て重力の影響を受けており、惑星や銀河が回転する仕組みはアインシュタインの一般相対性理論に従って重力で説明することが可能だと考えられています。
そのため宇宙論ではアインシュタインの一般相対性理論（重力理論）をベースに、暗黒エネルギーによる宇宙膨張の影響を加味するという方法がとられています。
（※暗黒エネルギー自体がアインシュタインの理論の副産物とも言えます）
しかし大規模構造の変化においては重力の影響は限定的であり、暗黒エネルギーによる膨張と、暗黒エネルギーによる構造変化抑制が主な役割を担っていたのです。
そうなると問題はより深刻になります。
研究結果が正しいならば、この結果は、大規模構造レベルになると宇宙論だけでなく、その基礎となるアインシュタインの一般相対性理論（重力理論）も上手く機能しなくなっていることを示しています。
アインシュタインの一般相対性理論はニュートン物理学の上位互換であり、物理学の基礎として、私たちが世界を認識するための基本的な手段となっています。
もしこの理論が通用しない場面が存在するとしたら、私たちは現実の構造を理解するために、代わりの物理法則を1から設計しなおさなければならないでしょう。
研究者たちは宇宙の大規模構造がどのように変化してきたかを正確に説明する理論ができれば、重力と暗黒エネルギーの知られていない性質を解き明かすヒントになると述べています。
参考文献
Something Is Suppressing The Growth of The Universe, Physicists Sayhttps://www.sciencealert.com/something-is-suppressing-the-growth-of-the-universe-physicists-say
元論文
Evidence for Suppression of Structure Growth in the Concordance Cosmological Modelhttps://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.111001