最終更新日: 2023 年 12 月 17 日

宇宙の加速膨張に対する代替理論

画像の説明:JWSTNASA のジェームズウェッブ宇宙望遠鏡 (パブリックドメイン)。

ΛCDM標準モデルとは何ですか？

宇宙の大部分 (約 70%) は未知の形態です。

標準的なΛCDM (ラムダ冷暗黒物質) モデルでは、宇宙の加速膨張は、一般に暗黒エネルギーと呼ばれる一種の暗黒エネルギーに起因すると考えられています。標準 ΛCDM モデルは、2023 年に最も受け入れられている宇宙論モデルです。それは、宇宙が 68% の暗黒エネルギー、27% の暗黒物質、および 5% の普通物質で構成されていると説明しています。暗黒エネルギーはどこにでも存在します。

ΛCDM モデルは、ハッブルの法則、銀河の分布、宇宙の構成など、幅広い観測と互換性があります。しかし、ダークエネルギーの性質やそれが宇宙の大部分を占めているという事実など、いくつかの理論上の問題を引き起こします。

この説明は、一般相対性理論によって引き起こされるゼロ以外の値を持つ宇宙定数から単純に得ることができます。
1917 年 2 月にアルバートアインシュタインが一般相対性理論の方程式 (1915 年) に追加したこの定数 Λ は、非常に正確な値が与えられた場合にこの展開を説明します。
一部の宇宙論者にとって、これは満足のいくものではなく、それが彼らがそれを超えたところに目を向ける理由です。

この加速をさまざまな方法で説明しようとする代替理論やモデルの拡張が多数存在します。
これらの代替理論は、暗黒エネルギーを関与させずに宇宙の膨張を説明するために提案されています。それらは 2 つのカテゴリーに分類できます。1 つは宇宙の構成を変更するもの、もう 1 つは重力理論を変更するものです。

宇宙の構成を変える理論

• そこには真髄は、時間の経過とともに進化するエネルギーで宇宙を満たす、クインテッセンスフィールドと呼ばれる動的なスカラーフィールドの存在を仮定しています。この発展は、宇宙時代における宇宙の膨張の加速に変化をもたらす可能性があります。
• そこにはK-ガソリン宇宙を満たす動的なスカラー場の存在を意味します。単純な状態方程式 (クインテッセンスフィールドに関連付けられたものなど) を持つスカラーフィールドとは異なり、K エッセンスフィールドはより複雑な状態方程式を持つことができます。
• そこにはファントムダークエネルギー暗黒エネルギーの密度が時間とともに増加する「ファントム」状態方程式にあり、それが宇宙の膨張の加速をもたらし、その膨張はますます速くなります。加速されるが限定的な膨張をもたらす標準的なダークエネルギーとは異なり、「ファントムダークエネルギー」は有限時間内に無限になる膨張を示唆しており、これは宇宙の最終的な運命に関して興味深い、推測的な意味合いを持つ可能性があります。
• そこには結合された真髄は、ΛCDM モデルの単純な宇宙定数 Λ と比較して追加の自由度を導入することによって、観測された宇宙膨張の加速を説明しています。
• そこにはチャプリジンガスチャプリギンの状態方程式に関連する負圧が導入されます。それは斥力をもたらし、暗黒エネルギーの影響をシミュレートする可能性があります。
• ヤヌス物理学者ジュリアン・バーバーによって提唱された宇宙理論です。重要な考え方は、時間は基本的な存在ではなく、むしろ創発的な概念であると考えることです。ババーは、私たちが知覚する時間は、2 つの鏡像宇宙の優先状態を結び付けるヤヌス対称性と呼ばれる特定の対称性から生じていると提案しています。これら 2 つの宇宙は理論によって説明されており、ヤヌスの対称性により、それぞれに時間の概念が現れる形でそれらが接続されています。
• ヤヌス・スモールは、ババーの元の理論と同じ原理に基づいていますが、新しい仮説が導入されています。プティの仮説は、ヤヌス理論の否定的な計量は、追加の次元に存在する物質またはエネルギーの形態に関連付けられているというものです。この追加の次元は私たちの観察からは隠されていますが、私たちが知覚する空間次元と相互作用します。

一般相対性理論を修正する理論

• の理論ガウスボンネットは、重力場方程式に追加の項を含む一般相対性理論の拡張です。より正確には、重力作用における二次曲率項の特定の組み合わせであるガウス・ボネット項が組み込まれています。
• の理論アインシュタイン・エーテルアルバート・アインシュタインの一般相対性理論への代替アプローチです。それは、時空にリンクされた単位ベクトルであるエーテル場と呼ばれるベクトル場を導入することによる重力理論の修正を提案しています。この理論は、ローレンツ対称性 (ローレンツ変換の下での物理法則の不変性を説明する) が自然に破れる可能性があるシナリオを調査するために開発されました。
• そこにはカスケード重力これは、私たちが観察する時空には、私たちが一般的に認識している 4 つの次元 (3 つの空間次元と 1 つの時間次元) を超えて、いくつかの追加の次元が含まれる可能性があるという考えに基づいています。これらの追加の次元は非常に小さなスケールに圧縮されており、この理論で探究されるのは宇宙論的スケールに対するそれらの影響です。
• ファブフォー物理学者のジョン・モファットとポール・ウェッソンによって提唱された宇宙理論です。それは、宇宙の膨張は「ウェッソン物質」と呼ばれる新しい形態の物質またはエネルギーの存在によるものであるという考えに基づいています。
• 理論ガリレオンは、ガリレオの対称特性を一般化する、重力の文脈におけるスカラー場理論のクラスです。「ガリレオン」という名前は、これらの理論が古典力学におけるガリレオ運動と同様の対称性を共有しているという事実に由来しています。
• 理論DGP(Dvali-Gabadadze-Porrati) は、2000 年代に Gia Dvali、Gregory Gabadadze、Massimo Porrati によって定式化された重力理論です。 DGP 理論の主な特徴は、私たちが通常観察する 4 つの次元 (3 つの空間次元と 1 つの時間次元) に加えて、追加の時空次元を導入することです。これらの追加次元は、弦理論と追加次元の文脈では「ブレーン」(膜の略) と呼ばれることがよくあります。
• 理論ブランズ・ディッケは、追加のスカラー場 (「ディラトン」と呼ばれることもあります) を重力方程式に導入することにより、標準的なアインシュタイン重力を超える可能性を探ることを目的として設計されました。
• そこにはビッググラビティは、重力が 1 つだけではなく 2 つの異なる重力場の相互作用から生じる可能性を探る物理学の分野における理論的提案です。
• 理論ホーンデスキは、スカラーテンソル重力モデルを含む代替重力理論の特別なクラスです。これは 1974 年にグレゴリーホーンデスキによって定式化され、標準的なニュートン重力とは異なる、重力と最小限に結合していないスカラー場から生じる第 5 の力の存在を特徴としています。
• 理論f(R)は、場方程式に任意の関数 f(R) を導入することによってアインシュタインの重力を一般化する修正重力理論のクラスです。理論 f(R) は、一般相対性理論の曲率定数が時空の曲率の関数であると仮定しています。これは、重力がスケールによって異なる可能性があることを意味します。
• そこには巨大な重力これは、アインシュタインの一般重力を拡張したもので、重力子と呼ばれる重力の伝達に関与する粒子がゼロではない質量を持つ可能性を調査しています。重力子は質量がないと考えられる一般的な重力とは異なり、巨大重力はこれらの粒子が特定の質量を持つことを提案します。
• の理論ランドール・サンドラムは、しばしば「コンパクトな」追加次元と呼ばれる追加次元を含めることによって、時空の通常の次元を拡張することを提案しています。理論の主な特徴は、一般に RS1 および RS2 と呼ばれる 2 つのモデルで説明されます。

要約すれば

科学者には創造性が欠けているわけではありません。理論物理学や宇宙論の分野には、暗黒エネルギーや宇宙の加速膨張などの現象を説明しようとする代替理論が他にもたくさんあります。これらの理論の中には、他の理論よりも推測的なものもあり、現在の観察を超えた影響を与える可能性があります。
これらの分野の研究は活発に行われていますが、宇宙で観察される現象の完全かつ決定的な説明として広く受け入れられている代替理論はまだありません。ただし、これらは、ΛCDM モデルの理論的問題を解決する有望な方法を示しています。