ダークエネルギー：宇宙が自らの重力から逃れるとき

宇宙加速の発見

予想に反する超新星

1998年、ソール・パールマッター（1959-）、ブライアン・P・シュミット（1967-）、アダム・リース（1969-）が率いる二つの独立したチームは、Ia型超新星の研究を通じて、宇宙の膨張が考えられていたように重力の影響で減速しているのではなく、むしろ加速していることを発見した。この観測を説明するために、宇宙論研究者たちはダークエネルギーという概念を導入した。これは宇宙の全エネルギー含有量の約70％を占める謎の構成要素である。

ダークエネルギーの仮説的性質

宇宙定数か、動的場か？

ダークエネルギーはしばしば宇宙定数 \(\Lambda\) に例えられる。これは一般相対性理論（1915年）のアインシュタイン方程式に加えられた項である。それは量子真空（量子真空：量子場理論における最小エネルギー状態）の内在的性質として、あるいは動的スカラー場（クインテッセンス）の一形態として解釈されうる。その負の圧力は重力的な斥力を及ぼし、それが膨張の加速を引き起こすであろう。しかし、その物理的起源は依然として不明である。

宇宙論的方程式

方程式における宇宙定数の役割

フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー模型の枠組みでは、膨張の方程式は次のように書かれる：\(\;H^2 = \frac{8\pi G}{3}\rho - \frac{k}{a^2} + \frac{\Lambda}{3}\;\) ここで \(H\) はハッブル定数、\(\rho\) は物質・エネルギーの全密度、\(k\) は空間曲率、\(\Lambda\) は宇宙定数である。\(\Lambda > 0\) の項は加速膨張を生み出す。

加速膨張と多元宇宙仮説

他の宇宙の中の一つの泡宇宙

一部の宇宙論的理論は、われわれの宇宙が他の宇宙の中の一つの泡にすぎない多元宇宙（多元宇宙：異なる宇宙の仮説的な集合）の存在を提唱する。この枠組みでは、加速膨張は内在的なダークエネルギーだけでなく、隣接する宇宙間の重力相互作用やエネルギー流からも生じうることが示唆されている。

宇宙間の重力

これらのモデルによれば、各宇宙は独自の物理定数とエネルギー密度を持つ。隣接する宇宙によって及ぼされる重力は、われわれの宇宙泡の膨張に斥力や加速の見かけの効果を引き起こす可能性がある。この仮説は思索的であり、現在の観測では検証が難しいが、宇宙定数 \(\Lambda\) のみに基づく標準モデルに対する代替案を提供する。

弦理論と真空の景観

弦理論とブレーンを用いた理論的研究は、量子真空の揺らぎや宇宙膜の張力の変動が、われわれの観測可能な宇宙の膨張に影響を与えうることを示唆している。これらの考えは、特にリサ・ランドール（1962-）やフアン・マルダセナ（1968-）によってブレーンモデルの文脈で議論されてきた。

注：
弦理論は、基本粒子が10次元または11次元の空間における振動する弦であると提案する。 追加次元の可能な各配置（カラビ・ヤウ多様体）は、独自の物理定数を持つ「真空」を定義する。 この可能な解の多様性は景観（ランドスケープ：弦理論の可能な解の集合）と呼ばれ、自然に多元宇宙（多元宇宙：異なる宇宙の仮説的な集合）の考えにつながる。すなわち、われわれの宇宙は異なる物理的性質を持つ宇宙の集合の中の一つの泡にすぎないということになる。

宇宙の他の構成要素との比較

現在の宇宙の内容の分布

ダークエネルギーは今日、ダークマターや通常の物質を上回り、宇宙論的進化を支配している。この不均衡は約50億年前、物質の密度が減少してダークエネルギーの密度を下回るようになったときに確立された。

注：
ダークエネルギーは宇宙論的仮説であり続けている。 それは直接観測されるものではなく、膨張に対する動的効果から推論されるものである。