ローマン宇宙望遠鏡、土曜打ち上げ──10億銀河を調査し暗黒エネルギーの謎へ

ローマン宇宙望遠鏡は土曜日に打ち上げられ、宇宙論最大の未解決測定問題の只中へと飛び込む。宇宙の膨張速度を測る二つの独立した手法が、8パーセントもの開きを示しているのだ。宇宙マイクロ波背景放射——ビッグバンから38万年後の光——を測定すると、膨張率は毎秒メガパーセクあたり約67キロメートルとなる。一方、近傍のケフェイド変光星とIa型超新星を測定すると、約73キロメートルとなる。この差は4～6シグマの統計的有意差に相当する。物理学において、これは単なる誤差ではない。標準モデルのどこかが間違っていることを示すシグナルである。

ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）は、東部時間午前7時26分にケネディ宇宙センターからスペースXのファルコンヘビーロケットで打ち上げられる。口径2.4メートルの鏡（ハッブル宇宙望遠鏡と同じ直径）と、ハッブルの視野の200倍の広さを一度に撮像できる3億ピクセルの近赤外線カメラを搭載し、現在の「ハッブル・テンション」が求める大規模な銀河分布マップを構築することができる、これまでで最も高性能な観測機器である。

標準モデルを揺るがす証拠

暗黒エネルギーが特定されたのは1998年のことだ。二つの独立した研究チームがIa型超新星の距離と後退速度を測定したところ、重力による減速から予想されるよりも、遠方の銀河が速く遠ざかっていることが判明した。この観測結果は2011年のノーベル賞をもたらし、宇宙論の標準モデルに宇宙定数Λという項が組み込まれた。Λは、暗黒エネルギーが密度と性質の両方において一定であり、空間自体の固定された特性であると仮定する。

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しかし、最近の二つの発見がこの描像を複雑にしている。暗黒エネルギー分光装置（DESI）が発表した結果によると、バリオン音響振動——ビッグバンから38万年後に宇宙の網目構造に凍結された周期的な密度パターン——は、暗黒エネルギーの強度が時間とともに変化してきたと仮定した方が、データによりよく適合するという。この発見は変化を証明するものではなく、あくまで示唆であり、統計的な確証はまだ得られていない。しかし、Λ以来、最も重要な実証的挑戦であることに変わりはない。

ハッブル・テンションは第二の圧力点を加えている。標準モデルが正しければ、初期宇宙の測定と近傍宇宙の測定は同じ膨張率に収束するはずである。しかし、そうはならない。JWSTで較正されたケフェイド変光星を用いた最新の分析では、近傍宇宙の値は約73 km/s/Mpcと確認されている。宇宙マイクロ波背景放射由来の値は約67のままである。この不一致は、より多くのデータによって縮小するどころか、拡大している。

ローマンが測定するもの、その方法

ローマンは三つの独立したチャンネルを通じて暗黒エネルギー問題に取り組む。

第一はIa型超新星である。これらは標準化可能な距離指標として機能し、それぞれが予測可能なピーク輝度に達するため、その明るさから距離がわかる。距離を赤方偏移——宇宙の膨張によって銀河の光が引き伸ばされる度合い——と比較することで、その宇宙年代における膨張率が得られる。ローマンは、地上観測よりもはるかに広い赤方偏移範囲にわたって、年間数千個の超新星を発見すると予想され、現在の機器では到達できない精度で宇宙の加速史をマッピングする。

第二のチャンネルはバリオン音響振動である。初期宇宙の音波は、銀河がどのように集まっているかに特徴的なスケールの痕跡を残した——約4億9000万光年離れた銀河対に統計的な偏りが見られるのだ。このスケールは「標準ものさし」として機能する。異なる赤方偏移でその見かけの大きさを測定すれば、各宇宙年代における宇宙の膨張史を再構築できる。ローマンの広視野撮像は何百万もの銀河をマッピングし、現在のサーベイでは達成できない統計的検出力を提供する。

第三は弱い重力レンズ効果である。これは、前景の構造物の質量によって背景銀河の形状がわずかに歪む現象だ。重力レンズは、物質が時間とともにどのように塊状化してきたかを追跡し、暗黒物質の密度と暗黒エネルギーの挙動の両方に敏感である。超新星データおよびBAOデータと組み合わせることで、重力レンズはクロスチェックを提供し、膨張史における不一致が本物か、あるいは観測機器に起因するものかを切り分けることができる。

先行ミッションとの比較

ハッブルの赤外線カメラは1露出あたり約10平方秒角をカバーする。ローマンは約0.28平方度——同等の解像度と深度で、およそ100倍の面積をカバーする。その広視野装置は、ハッブルが数年かけてサーベイするような空の領域を、数週間で撮像する。JWSTは並外れた深度を提供するが、視野はハッブルと同程度である。JWSTが顕微鏡なら、ローマンは広角レンズだ。2023年に打ち上げられ、すでにデータを返し始めている欧州宇宙機関（ESA）のユークリッドは、ローマンよりも広い視野を持つが、空間分解能と深度は劣る。両ミッションは互いに補完し合うことが期待されている。

このスケールの違いこそが、本ミッションの核となる主張である。真の宇宙定数と進化する暗黒エネルギーを区別するために必要な精度で暗黒エネルギーの特性を測定するには、数百万もの天体の統計的サンプルが必要となる。ハッブル・テンションは小規模なサーベイでは解決できない——全数調査が必要なのである。

ローマンが解決しないこと

ローマンの測定は暗黒エネルギーに対する制約を大幅に強化するが、それに付随するすべての疑問を解決するわけではない。この観測機器は暗黒エネルギーを直接検出することはできず、観測可能な量に対するその影響を測定するものであり、それらの測定には独自の系統的不確実性が伴う。例えば、Ia型超新星の較正はケフェイド変光星の距離測定に依存しており、さらにその距離測定は、それらの星の脈動特性が化学的環境によってどのように影響されるかに依存している。この較正の連鎖こそが、まさに現在ハッブル・テンションが存在する場所である。

もしローマンのデータがH0（ハッブル定数）のギャップを狭め、近傍宇宙と初期宇宙の測定値を近づけるなら、それはテンションが以前の測定における未確認の系統誤差に起因していたことを示唆する。もしギャップがローマンの改善された較正後も持続するか、あるいは拡大するなら、それは標準モデルが本当に不完全であるという強力な証拠となる。その結果はより重要なものとなるが、それ自体が何が間違っているかを特定するわけではなく、何かが間違っていることを確認するだけである。

NASAジェット推進研究所（JPL）の宇宙物理学者で、本ミッションに関与するジェイソン・ローズ（Jason Rhodes）氏は、現在の状況を率直に次のように述べている。「初期宇宙の測定と後期宇宙の測定の間に、緊張関係が見え始めています。」ローマンは、これらの緊張を消し去るか、あるいは確定した異常へと硬化させるために、特別に設計された。

打ち上げ後のコミッショニングには約90～100日を要し、科学運用は2026年初頭に開始される予定である。望遠鏡は、JWSTがすでに周回している、地球から約150万キロメートル離れたラグランジュ点L2で運用される。基本ミッション期間は5年間である。

ローマン宇宙望遠鏡と暗黒エネルギーに関するよくある質問

暗黒エネルギーとは、正確には何ですか？
暗黒エネルギーとは、宇宙の加速膨張の原因不明のものに付けられた名前です。現在の推定では、宇宙の全エネルギー含有量の約68パーセントを占めるとされていますが、その物理的性質は未知のままです。最も単純なモデルは、それを空の空間に固有の一定のエネルギー密度として扱います。より複雑なモデルでは、それが時間とともに変化したり、宇宙定数とは性質が異なったりすることを許容します。ローマンは、これらの可能性を区別するように設計されています。

ハッブル・テンションとは何ですか？
ハッブル定数（H0）は、宇宙が現在どれだけ速く膨張しているかを測定します。二つの広範な測定カテゴリー——一つは宇宙マイクロ波背景放射を出発点として使用し、もう一つはケフェイド変光星や超新星などの近傍の標準光源を使用する——は、一貫して異なる値（それぞれ約67および73 km/s/Mpc）を与えます。この不一致は統計的に有意であり、偶然では説明できないほどですが、その原因は未解決です。

ローマンはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とどう違うのですか？
JWSTは、個々の天体の深く狭い視野での観測に最適化されており、並外れた感度を持ちます。ローマンはハッブルと同じ鏡のサイズを持ちながら、100～200倍の視野を持ちます。深度よりも広がりを重視しているのです。二つの望遠鏡は連携して動作するように設計されています。ローマンが大規模に発見とサーベイを行い、JWSTが特定のターゲットを詳細に追跡観測します。

暗黒エネルギーが宇宙論を超えて重要なのはなぜですか？
暗黒エネルギーは宇宙の長期的な運命を決定します。もしそれが本当に一定なら、宇宙は無限に加速膨張を続け、最終的には銀河同士が互いの光の届かない距離まで離れていくでしょう。もし暗黒エネルギーが時間とともに変化するか、あるいは逆転するなら、その軌道は変わります。ローマンの測定は、これらのシナリオのどれが物理的に可能かを制約します。

もしハッブル・テンションがローマンの精査を生き延びたなら、宇宙論は新しいモデルを必要とするでしょう——宇宙の最も初期の膨張の痕跡と最も最近の膨張の痕跡がもはや一致しない理由を説明できるモデルを。

タグ: nasa, cosmology, dark energy, dark matter, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

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