ハッブル定数と観測可能な宇宙の膨張

科学的要約

Astronooの記事は、ハッブル定数と観測可能な宇宙の膨張を紹介しています。銀河がその距離に比例する速度で遠ざかることを示したエドウィン・ハッブルとヴェスト・スライファーの観測、そしてこの測定を可能にする宇宙距離はしごをたどります。プランク衛星によって宇宙マイクロ波背景放射から導かれたハッブル定数は67.4 km/s/Mpcである一方、距離はしご法（ケフェイド変光星とIa型超新星、SH0ESチーム）は約73 km/s/Mpcを与えます。この持続する不一致はハッブル tensionと呼ばれ、今日5標準偏差を超え、現代宇宙論の未解決の謎の一つであり続けています。記事はまた、膨張が太陽系のような重力で束縛された系には適用されない理由も説明しています。

ハッブル定数とは何か、宇宙の膨張とはどういう意味か？

この記事は、H₀と表記されるハッブル定数と宇宙の膨張に捧げられています。しかし、これは正確にはどういう意味でしょうか？ハッブル定数は、宇宙が膨張する速度です。より正確には、銀河がその距離に応じて私たちから遠ざかる速度を表します。例えば、1メガパーセク（≈326万光年）離れた銀河は、使用する測定方法に応じて毎秒67〜73キロメートルの速度で遠ざかります。1929年にエドウィン・ハッブルによって発見されたこの関係は、宇宙が静的ではなく、膨張していることを明らかにしました。注意：これは空間内での銀河の動きではなく、時空そのものの膨張です。膨張は、銀河団の間のような非常に大きな距離にのみ適用されます。太陽系や私たちの銀河のような重力で束縛された系は膨張しません。ハッブル定数の正確な値は、原始的宇宙から出発するか近傍宇宙から出発するかによって、67〜73 km/s/Mpcの間で議論されており、この持続する不一致「ハッブル tension」は、今日の宇宙論研究を刺激しています。

こちらもおすすめ

宇宙の探検をさらに深めるためのテーマをご紹介します：

宇宙の膨張

膨張する宇宙

過去を振り返ると、宇宙はますます小さく、密で、熱くなっています。言い換えれば、時間を遡ってフィルムを逆再生すると、宇宙のすべての天体が互いに近づきます。

エドウィン・ハッブルの観測

1923年、エドウィン・ハッブル（1889-1953）は、当時最も強力な望遠鏡であった250 cmフッカー望遠鏡を使用しました。アンドロメダ星雲（M31）の変光星を観測中に、彼はケフェイド変光星を同定しました — その明るさが、1912年にヘンリエッタ・リービットによって発見された周期-光度関係に従って、実際の光度に直接関連する周期で変化する星です。この方法により、彼はM31の距離を約90万光年と推定し、私たちの銀河の外側に大きく位置づけました。こうしてハッブルは、今後銀河と呼ばれるようになる拡散天体の性質に関する長い議論に終止符を打ちました。

少し後の1929年、ハッブルは、ヴェスト・スライファー（1875-1969）によって以前に分光線の赤方偏移から測定されていた銀河の後退速度を分析しました。彼はまず600万光年以内の銀河に限定し、速度-距離関係がほぼ線形であることに気づきました。ミルトン・ヒューマソン（1891-1972）とともに、彼は研究を1億光年までの遠方銀河に拡大しましたが、関係は線形のままでした。

ハッブルの法則と膨張率

ハッブルは then 彼の有名なハッブルの法則を述べました：「銀河はその距離に比例する速度で互いに遠ざかる」。言い換えれば、銀河が私たちから遠ければ遠いほど、速く遠ざかるように見えます。彼は thus 宇宙の膨張という概念を生み出しました。注意：銀河は遠ざかりますが、これは銀河の本当の動きではなく、宇宙全体が膨張し、銀河にこの見かけの速度を与えているのです。銀河間の空間が増加しており、実際には時空が膨張しているのです。

銀河間の膨張率は、1930年代にエドウィン・ハッブルとジョルジュ・ルメートルによって計算されたハッブル定数（H₀）に対応します。ハッブル定数の逆数はハッブル時間と呼ばれ、ビッグバンからの時間、つまり宇宙の年齢に対応します。 1965年に発見された化石放射は、宇宙論者にとって真の「ロゼッタストーン」です。なぜなら、ビッグバン以来の宇宙の熱史を解読することを可能にするからです。

注：ハッブルが1923-1925年にM31について計算した90万光年という距離は、現実を大幅に過小評価していました（今日では約250万光年と確立されています）。誤差は、異なる周期-光度関係を持つ2つの異なるケフェイド変光星集団の混同に由来し、1952年に天文学者ウォルター・バーデによってようやく修正されました — 彼は観測可能な宇宙の推定サイズを一挙に2倍にしました。

宇宙距離はしご：ケフェイド変光星から超新星まで

互いに較正された測定の連鎖

後退速度の測定は、光スペクトルの赤方偏移のおかげで比較的簡単です。一方、銀河間距離の測定ははるかに困難であり、まさにこれがハッブル定数の不確実性の主な原因です。天文学者はそのために宇宙距離はしごを使用します。これは測定標準の連続であり、それぞれが前のものに較正されています：私たちの銀河に近い恒星の視差、近くの銀河のケフェイド変光星（その実際の光度は脈動周期から推定されます）、そしてより遠い銀河のIa型超新星（その最大輝度は著しく標準化されており、「標準光源」として機能します）。

代替方法：赤色巨星分枝の先端

Tip of the Red Giant Branch（TRGB、または「赤色巨星分枝の先端」）と呼ばれる別の方法は、赤色巨星がすべて、中心核でヘリウム融合を開始する前に、非常に類似した最大光度に達するという事実に依存しています。これはケフェイド変光星から独立した較正を提供し、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で実施された場合、2つの主要な方法で得られたものの中間のハッブル定数の値を与えます — 以下で説明する不一致の起源を理解するための真剣な手がかりです。

ハッブル定数の値は？

ハッブル定数と宇宙の膨張 — これらの小さな温度ゆらぎは、プランクミッション（2013年3月）によって見られた観測可能な宇宙の最初の輝きです。2013年以来、ヨーロッパ、カナダ、アメリカの天体物理学者たちは宇宙の組成を洗練してきました。この偽色の合成画像は、ビッグバンの約38万年後、138億年前（≈1%）の創造の最初の瞬間の痕跡を表しています。観測可能な宇宙は、69.4%の暗黒エネルギー、25.8%の冷たい暗黒物質、4.8%の原子、つまり通常の物質で構成されています。
画像出典：ESA（新しいウィンドウ）。

宇宙マイクロ波背景放射

宇宙マイクロ波背景放射の地図は、観測可能な宇宙の最初の瞬間からの電磁放射を表しています。今日、電波領域で検出可能なこれらの光子は、インフレーションによって運ばれる大きな誕生しつつある構造の痕跡を保っています。

ハッブル定数の測定

ハッブル定数（H₀）の値は完全な精度では知られておらず、何より、使用する方法によって異なります。2013年3月、プランク衛星のデータの最初の分析は67.8 km/s/Mpcの値を与えました；2018年に発表されたミッションの最終分析は、宇宙マイクロ波背景放射から導出された67.4 ± 0.5 km/s/Mpcに洗練しました。一方、SH0ESチームは、距離はしご上のケフェイド変光星とIa型超新星を組み合わせることにより、かなり高い値、約73.0 ± 1.0 km/s/Mpc（2022年の結果）を得ています。したがって、1 Mpcの泡は今日、採用する方法に応じて、毎秒67〜73 km膨張します；10 Mpcの泡は10倍；100 Mpcの泡は100倍…

ハッブル tension：持続する異常

2つの方法、2つの両立しない結果

2つの大きな測定ファミリー間のこの不一致 — 宇宙マイクロ波背景放射からの67.4 km/s/Mpc対局所距離はしごからの約73 km/s/Mpc — には名前があります：ハッブル tension。これは単なる誤差の範囲ではありません：SH0ESチームによると、不一致は今日5標準偏差（5σ）を超えており、統計的な偶然である可能性を極めて低くしています。しかし、両方の方法は、非常によく理解された物理学に基づいています — 宇宙マイクロ波背景放射には標準ΛCDM宇宙論モデル、距離はしごにはケフェイド変光星とIa型超新星の確立された較正です。

状況を複雑にする独立した測定

前の2つから完全に独立した他の方法が、決着をつけることなく議論を養っています。バリオン音響振動（BAO）は、2024年にDESI装置によって測定され、プランクの値に近い約68.4 km/s/Mpcという低い値を与えています。逆に、重力レンズ化されたクエーサーの時間遅延に基づく最近の測定（TDCOSMOコラボレーション、2025）は、約70〜78 km/s/Mpcという高い値を与え、むしろ局所測定の陣営を強化しています。その間で、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で実施されたTRGB法は、約69〜70 km/s/Mpcという中間値を与え、部分的な解決の手がかりを示す可能性があります — 科学界が今日一致しているわけではありませんが。

新しい物理学か、単なる系統誤差か？

ハッブル tensionを説明するために、2つの主要な仮説が対立しています。最初のものは、測定方法の1つにまだ同定されていない系統誤差の存在を仮定します — ケフェイド変光星の較正におけるバイアス、またはΛCDMモデルのパラメータの誤解。2番目の、より speculative なものは、真の新しい物理学を想定しています：初期暗黒エネルギーの形態、重力の修正、または今日受け入れられているものとは異なるニュートリノ物理学。ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡やESAのユークリッドミッションのような将来のミッションは、これらの仮説を決着させるために、今後数年で追加データを提供するはずです。