1,500 個を超える超新星の新しい分析により、宇宙に浸透する暗黒物質と暗黒エネルギーの測定精度が新たなレベルに到達しました。
研究によると、宇宙の約3分の2（66.2%）はダークエネルギーで、残りの3分の1（33.8%）は物質で構成されている。物質のほぼすべては「ダーク」と呼ばれるもので、実際には目に見えない。重力の影響を測定できるからこそ、その存在が分かるのだ。私たちが触れて見ることができる通常の物質は、宇宙の5%未満を占めている。研究チームの分析結果は「パンテオン+」と呼ばれ、本日アストロフィジカル・ジャーナル誌に掲載された。
この結果は、宇宙の膨張速度を表す数値であるハッブル定数の天体物理学者による測定にも影響を与える。この数値は、局所的に測定するか宇宙規模で測定するかによって大きく変化するため、長年謎とされてきた。
「ダークエネルギーを、これまで以上に正確に、主要な理論である宇宙定数に結びつけました。これは、宇宙が最も単純な理論で説明できるような振る舞いをすることを示唆しています」と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのアインシュタイン・フェローであり、本論文の筆頭著者でもある天体物理学者のディロン・ブラウト氏は述べています。「原理的には素晴らしいことですが、同じデータセットはハッブル・テンションを新たなレベルに引き上げています。」ハッブル・テンションについては、後ほど詳しく説明します。
物質とは宇宙に存在するすべての物質のことです。一方、暗黒物質とは、宇宙に存在する説明のつかない質量であり、直接観測することはできませんが、重力による影響でその存在が証明されています。暗黒物質の候補としては、アクシオン、WIMP、その他の素粒子などが挙げられますが、これらの理論上の質量の組み合わせ、あるいは全く別の何かである可能性もあります。暗黒エネルギー（その構成要素が正確には分かっていないため、このように呼ばれています）は、宇宙の加速膨張を駆動するものです。
Pantheon+は、星の寿命の終わりを告げる激しい爆発であるIa型超新星を用いて、宇宙の膨張速度を観測しました。天体物理学者は、これらの超新星の見かけの明るさと赤方偏移を用いて、宇宙がこれまで存在してきた様々な時期にどれだけの速度で膨張してきたかを推定することができます。
Pantheon+は、約1,000個の超新星を分析したPantheonをベースに構築されています。今回の研究は、オリジナルのPantheonデータの2倍の精度を実現しています。研究チームはまた、Pantheon+の結果と、宇宙の構造と最も古い光である宇宙マイクロ波背景放射の測定結果を組み合わせました。
Ia型超新星は宇宙で最も明るい現象の一つであり、銀河全体を凌駕するほど明るくなることがあります。これらの超新星の中には、非常に遠い宇宙で発生したものもあり、赤方偏移が大きいことを意味します。宇宙が膨張するにつれて、宇宙を伝わる光は引き伸ばされ、地球に到達する頃には、放射された時よりも赤く（波長が長くなり）見えるようになります。
研究チームは、Pantheon+のデータと、超新星データを用いて局所ハッブル定数、つまり宇宙の膨張速度を計算する共同研究組織SH0ESのデータとを組み合わせました。これらのデータを総合すると、1メガパーセクあたり毎秒45.61マイル（73.4km）という定数が得られました。これは、宇宙最古の光である宇宙マイクロ波背景放射を用いて計算されるハッブル定数とは依然として異なります。この局所的な測定値と遠方の測定値の乖離を、Brout氏は「ハッブル・テンション」と呼んでいます。
この新たな発見により、緊張に関する確実性が 5 シグマの閾値まで高まり、ハッブル定数の測定における長年の矛盾が単なる偶然である可能性は 100 万分の 1 程度しかないということを意味する。
Pantheon+のデータは、Brout氏が「後期」宇宙と呼ぶ領域をカバーしており、これは分析に考慮された超新星爆発の年代が約100億年前から現在までであることを意味します。2つのハッブル数値の差を埋めるための現在の理論の中には、ウェッブ宇宙望遠鏡で観測されるような光源を用いて、宇宙最古の物理学を精査するというものがあります。
幸いなことに、ブラウト氏によると、「現在のパンテオン+のサンプルをはるかに凌駕するほどの超新星の波を導く」ような観測機器が間もなく登場するだろうという。その代表格が、ヴェラ・ルビンLSSTカメラ（ギズモードは昨年10月に視察し、2023年初頭に完成予定）と、2020年代半ばに打ち上げが予定されているNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡だ。
ハッブル定数の測定には、近くの超新星のデータを収集することが大きな助けとなるでしょう。つまり、近くの恒星が死ぬまで待つ必要があるということです。もしそうなれば、ウェッブ望遠鏡のような新しい技術によって、赤外線や近赤外線の波長で迅速に画像化することができます。これらの測定は、超新星を取り囲む塵が天体物理学の計算にどのような誤差をもたらすかを理解するのに役立ち、ハッブル定数の測定精度を向上させるでしょう。
このような研究により、私たちは最終的に暗黒エネルギーと暗黒物質の謎を解明することに近づくはずですが、現時点ではまだ行き詰まっています。
続き：天文学者、アタカマ砂漠の望遠鏡で宇宙の年齢を計算
