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last update:05/07/21 |
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 ダークエネルギーの証拠 2005.7.21 |
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〜 超新星から見る宇宙加速 〜 |
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宇宙には“ダークエネルギー”が満ち満ちている。そう聞くと、映画「スターウォーズ」を思い浮かべる方も多いかもしれません。ダークとは見えない、検出できない、という意味で使われていますが、その正体もまさに“見えず”、まだよくわかっていません。今、天文学や宇宙物理学の分野では、ダークエネルギーがあると仮定しなければ説明のできない事柄が見つかり、その存在が次第に明らかになってきました。 宇宙が膨張していることは、よく知られています。約10年前までは、宇宙は減速しながら膨張していると考えられていました。宇宙の中の物質が、膨張を止める引力になると考えられていたためです。しかし最近になって、宇宙の膨張が約50億年前を境に、減速膨張から加速膨張に転じたことがわかったのです（図１）。これを説明するにはダークエネルギーの存在が不可欠です。天文学からわかるダークエネルギーの最新事情について、東京大学天文学教育研究センターの土居守助教授にお話を伺いました。 銀河１個分の明るさ、Ia型超新星 宇宙の膨張速度は、いつ、どのように変化したのでしょうか。この問題を調べるためには、近傍の星から遠くの星まで、様々な距離の星を観測することが必要です。いろいろな距離にある星を観察することは、それぞれの距離に応じた過去をみることに相当するからです。 この観測のために使われるのが“Ia型超新星”です（図２）。Ia型超新星は、軽い星が燃えた後にできる白色矮星からできます。白色矮星が、もうひとつの星と互いの周りを周回する連星だった場合、自分のまわりにガスを取り込み、太陽質量の1.4倍になると超新星爆発を起こしIa型超新星になります。 「Ia型の超新星は他の星に比べて非常に明るく、遠くまで精度よく明るさを測定できます」 土居先生はこう説明します。場合によっては、銀河一個の明るさにも匹敵するIa型超新星は、他の星では不可能だった、約5000万光年から90億光年先を観測することができるのです。 非常に明るい、という他にも、Ia型超新星ならではの特徴があります。それは、最も明るくなるときの明るさが、ほぼ一定であることです。超新星は、爆発時に急に明るくなり、その後は時間が経つにつれ、しだいに暗くなります。星が最も明るくなった瞬間を観測するのは難しいですが、時間に対してどれくらいの速度で暗くなるか観測することで、最も明るいときの明るさを誤差10％程度で計算することができます（図３）。この性質を利用して宇宙の膨張速度を知ることができるのです。 膨張加速か減速加速か ではIa型超新星を使って、どのように宇宙の膨張速度を測るのでしょうか。 20世紀前半、天文学者のエドウィン・ハッブルは宇宙が膨張していることを発見しました。彼は銀河の光の波長分布が、全て赤い方向に動いていることに気づいたのです（赤方偏移）。これは、銀河の光が、宇宙の膨張によって引き伸ばされたことを示しています。 さて、Ia型の超新星は明るさがほぼ一定です。宇宙が一定の速度で膨張している場合、ある赤方偏移（宇宙の大きさ）に対して、Ia型超新星の見かけの明るさは予測できます。では、宇宙が加速・減速膨張している場合ではどうでしょうか。この場合、見かけの明るさが一定膨張の場合と異なります。これは直感的に、図４のように説明することができます。 「宇宙が加速膨張している場合を考えると、ある宇宙の大きさ（赤方偏移）に対して、Ia型超新星の見かけの明るさは一定膨張の場合と比べて暗くなります。減速膨張しているときには、逆のことが言えます」 土居先生のグループはIa型超新星を観測することで、赤方偏移の大きさと星の明るさの関係を調べています。しかし、この議論をする前に気をつけなければならないことがあります。それは、宇宙の中に何がどれくらい入っているか、ということです。それによって見かけの明るさも違ってくるからです。 宇宙背景放射のゆらぎの観測結果から（WMAP、図５）、遠い像を見るときに宇宙は凸レンズにも凹レンズにもなっておらず、宇宙は“平坦”であることがわかっています。これは、宇宙の密度を示すパラメーターΩ（オメガ）が、１であることと同じことです。Ωは物質由来だと考えられていました。しかし物質だけでは、まだ見つかっていないダークマター（暗黒物質）を合わせても0.3にしかならないことが、WMAPの観測から示されています。つまりあと0.7が、何か別のものから来ていると考えなければつじつまが合わないのです。 見えてきたダークエネルギーの証拠 このΩの残りの値、0.7を説明する候補として“ダークエネルギー”の存在が指摘されています。ダークエネルギーの正体はまだよくわかっていませんが、宇宙膨張によらず密度が一定で宇宙を加速膨張させるエネルギーをもっています。 Ia型超新星の観測結果も、ダークエネルギーの存在を示唆しています。図６（下）では、ΩMが0.25、ダークエネルギーの存在を仮定し、その値をΩΛ＝0.75とした場合が緑色の線で示されています。データはこの曲線とよくあっています。モデルと比較することによって、データは、過去は減速膨張していた宇宙が、50億年ほど前から加速膨張に転じたことを示しているのです。図７では、データは必ずしも平坦な宇宙(Ω＝ΩM＋ΩΛ＝1)と一致せず、これからの精密測定が期待されています。 「今後は、加速膨張していると思われる近傍の星、さらに減速膨張していると思われる遠く離れた星両方を観測し、例えばダークエネルギーに時間変化が起きているのか、などを調べていきたいと思います」土居先生はこう考えています。 今後の研究の焦点は、近傍から遠方までいかにたくさんのIa型超新星を発見し、塵などによる影響を考慮しながら精度よく明るさを測定するか、にかかっています。いくつかの研究グループがしのぎを削るなか、日本でも野心的な計画が進んでいます。７月６日、理化学研究所と国立天文台は、レーザーを夜空に照射してつくる“人工の星”実験を公開しました。星を観測する前に、人工の星を観測することで、空気による揺らぎ成分を取り除くのです。これによって地上にあるすばる望遠鏡が、宇宙にあるハッブル望遠鏡より、精度よく星を観測することが可能になるのです。 ダークエネルギーのナゾは、これからどうやって解明されていくのでしょうか。最後に土居先生に伺いました。 「ダークエネルギーの謎は、本当に新しい問題で、空間と時間に関係した新たな自然法則への手がかりにつながる可能性があると考えています。しかしまだ情報が非常に少ないので、基礎データを集めることろから地道に行う必要があると思っています」 （サイエンスライター 横山広美）
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東大宇宙線研究所 安田直樹助教授ら
