特 集

宇 宙 を 探 る 理 学 研 究

宇宙の進化と暗黒エネルギー
東京理科大学 理学部第二部 物理学科 准教授

1．はじめにかせ加瀬りょうたろう竜太郎

ベルまで分解されるほどの高温にあるが，この状態もずっとは続かない．というのも，インフレーション終宇宙は膨張している．遥か過去から現在に至るまで了後も宇宙は減速しつつ膨張を続けており，時間とと膨張を続けている．具体的にどれくらいの期間，宇宙もに宇宙の温度が下がっていくためである．宇宙の温はこの膨張を続けているのだろうか．人類が誕生する度がある程度まで下がると，陽子や中性子が安定してより以前からだろうか．恐竜が闊歩していた時代より存在できるようになり，これを材料に軽元素原子核が以前からだろうか．あるいは，地球が誕生するより以合成されるビッグバン元素合成が起こる．この段階で前からだろうか．138 億年．これは宇宙論の標準的は電子はまだ原子核に捕獲されておらず自由に宇宙をな理論模型に基づき複数の観測データから算出された飛び回っているが，宇宙膨張により更に温度が下がる

現在の宇宙年齢だが，この気の遠くなるような年月，と，最終的に電子も原子核に捕獲されることになる．

宇宙は膨張を続け，その間に様々な現象を経て現在の自由電子は光を散乱するため，これ以前の宇宙におい姿まで進化したと考えられている．本稿では特集記事て光は真っ直ぐに伝播することができない．このため，「宇宙を探る理学研究」の一部として，この宇宙進化電子が原子核に捕獲された時期を指して宇宙の晴れ上の歴史を理学の観点から紐解いていく．宇宙誕生後にがりと呼ぶ．その後に星が誕生し，重力によって複数生じた諸現象のうち特に，インフレーション，ビッグの星が引かれ合い銀河が，更に複数の銀河が集まってバン，ビッグバン元素合成，宇宙の晴れ上がり，構造銀河団等のより大きな構造が形成されていく．これが形成，そして宇宙後期加速膨張といった現象に焦点を構造形成である．以上を経て，我々が知る今日の宇宙あて，理論的な背景と観測的事実とを織り交ぜながらの姿が形作られたのである．

解説を行う．

2．宇宙進化の概略

では，その後の宇宙は一体どのように進化するのであろうか．これについては，宇宙膨張が重力により減速されて収縮に転じ一点まで潰れるというビッグクランチや，逆に重力を振り切り延々と膨張し続けることまず宇宙進化の歴史を俯瞰的に見ていく．本稿で解で行き着く宇宙の熱的死，といった未来がかつては予説する現象を時系列順に簡単にまとめたものが【図測されていた．これらの未来はどちらも宇宙膨張が減誕生後の初期の宇宙において急激な加速膨張であるイ

常の物質やエネルギーはいずれも宇宙膨張を減速させ1】である．宇宙論の標準的な理論模型に基づくと，ンフレーションと呼ばれる現象が起きたと考えられている．この現象は短い期間で終了し，インフレーションを駆動していた源の崩壊が始まる．これによって解放されたエネルギーは宇宙を一気に加熱し，ビッグバンと呼ばれる超高温・超高密度の状態が作り上げられる．この時期の宇宙の温度は，全ての物質が素粒子レ速することを前提としているが，我々の周りにある通る働きをすることが分かっているため妥当な前提であると考えられる．しかし，1998 年に奇妙な現象が観測的に発見される．現在の宇宙膨張は加速していたのだ．宇宙初期に起こったとされる加速膨張（インフレーション）と区別するため，現在の加速膨張を宇宙後期加速膨張と呼ぶ．従来の理論予測を完全に裏切る現象であり，既存の物質やエネルギーとは異なる未知の源によるものと考えられる．この未知の源は暗黒エネルギーと名づけられ，その性質と起源を探る研究が世界中で行われている．以上が宇宙誕生後から現在までの宇宙進化の概略である．次節から個々の現象につい【図 1】宇宙進化の概略

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特集

宇宙を探る理学研究てより詳しく解説していく．

3．インフレーションとビッグバン

激な加速膨張が一定期間続いたとすれば，丁度ベッドメイキングにおいてシーツを引っ張ることでシワがな

1915 年，アルベルト・アインシュタインが一般相くなるように，時空が限りなく平坦に整えられ平坦性対論を提唱した．これにより，宇宙全体の時間発展を問題は解決される．また，宇宙初期に因果を持ってい物理的に記述することが可能となった．当時，宇宙はた小さな領域がインフレーションによって急激に引き不変不動のものであるという静止宇宙が信じられてい伸ばされ地平線サイズを超えることが可能となり，地た中で，一般相対論はこれと真逆の宇宙の姿を予言す

平線問題についても解決される．では具体的にどの程る．膨張する宇宙像である．1920 年代後半には，ル度急激な膨張だったのだろうか．典型的には，宇宙誕メートルやハッブルという研究者により，この宇宙膨生直後の 10-38 秒後から 10-36 秒後までという非常に張の観測的な証拠が発見されることとなる．その後，短い間に，宇宙は 10-30 m 程度の大きさから 1 cm 程理論と観測の研究の積み重ねにより宇宙膨張は確固た度まで膨張したと考えられている．比較としては，原るものとして受け入れられていくことになるが，この子核が太陽系程度まで引き伸ばされることに相当する．

前後の詳しい流れは科学フォーラム 2021 年 12 月号

このような劇的な変化がビッグバン以前の宇宙に起こにおいて解説を行なったため，ここでは割愛する．宇ったと考えられている．

宙膨張を事実として認めると，熱力学と組み合わせて量子論において真空は単なる無ではなく，0 でない考えることで衝撃的な過去の宇宙の姿が導かれる．宇エネルギーに満たされた状態である．この真空のエネ

宙が膨張しているのであれば時計の針を巻き戻すこと

ルギーは実効的に負の圧力を持ち，通常の物質が重力により宇宙はどんどん小さくなる．すると，ピストンによって宇宙膨張を減速させるのと反対に，宇宙を加のついた容器の中に封入された気体の温度がピストン速膨張させる働きを持つ．インフレーションは，このを押し込むことで上昇するのと同様に，過去の宇宙は真空のエネルギーによって引き起こされたと考えられ超高温の状態に行き着くことになる．これがビッグバている．また，非常に重要な点として，真空のエネルンである．

ギーは完全に一様ではなく，空間の各点で量子効果の上記のような状態から宇宙が始まったとするビッグ無視できない微小なゆらぎ（量子ゆらぎ）を持つこと

バン宇宙論は，観測とよく整合する一方でいくつかのが予測される．この量子ゆらぎは様々な波長を持った問題点を持っていた．代表的なものを二つ紹介しよう．

波の重ね合わせとして表現されるが，インフレーショ平坦性問題と地平線問題である．まず前者について，ンによって各々の波長は引き伸ばされ，当時の地平線観測的に現在の宇宙の曲率は非常に小さく，ほぼ平坦サイズを超えて成長する．そして，インフレーションに近いことが分かっている．これは奇妙なことである．

終了後，宇宙膨張とともに地平線が成長すると波長がというのも，宇宙初期に多少なりとも曲率が存在して小さい量子ゆらぎから順に地平線内に戻ってきて様々いれば，これは時間とともに成長し現在では大きな曲な可観測量に影響を与えることが予言されるのである．

率となっているはずであり，この問題を指して平坦性量子ゆらぎが宇宙背景輻射と構造形成に与える影響は問題と呼ぶ．一方で後者について，ビッグバン宇宙論次節以降で説明する．これらはよく検証されており，に基づくと宇宙が誕生してから現在まで経過した時間インフレーション理論の妥当性を支持している．ただは有限である．これに加えて光の速さも有限であるこ

し，インフレーションの理論模型は数多く存在し，観とから，この宇宙の中で光によって情報をやりとりで測データとの比較から妥当である模型とそうでない模

きる，すなわち互いに因果関係を持つことのできる領型の選別は進んでいるが，現時点ではどの模型が真に域の大きさには限界が存在し，この境界を地平線と呼正しいのかを断ずることはできない．技術進歩によっ

ぶ．減速膨張を前提とすると地平線の大きさを理論的て観測データの精度が上がっていくにつれ，徐々に真に計算することができるが，後述する宇宙背景輻射のの理論へと迫ることが可能となる．

観測結果は地平線を超えて同じ情報を共有しており，これは論理的に矛盾している．これら二つの問題以外にも，ビッグバン宇宙論は複数の問題を抱えている．
しかし，これら複数の問題を同時に解決する一つのシンプルなアイデアが提唱された．急激な加速膨張，すなわちインフレーションである．ビッグバン以前に急

4．ビッグバン元素合成と宇宙の晴れ上がり
インフレーションによる急激な膨張は，気体を封入した容器のピストンを引っ張るのと同様に，宇宙の温度を一気に引き下げる効果がある．当然，このままで理大

科学フォーラム

2023（12）5は超高温のビッグバンには繫がらない．インフレーシ

ギ ー が 水 素 の イ オ ン 化 エ ネ ル ギ ー を 下 回 り，更 にョンとビッグバンを橋渡しするのが再加熱と呼ばれる

3700 K 程度になると本格的に原子核は電子を捕獲し現象であり，インフレーションの終了とともに解放さて原子となる．この現象を宇宙の晴れ上がりと呼ぶ．

れた真空のエネルギーが宇宙の温度を上昇させるのでこれ以前，電子は自由電子として宇宙を満たしており，ある．この再加熱により，典型的には 10 K 以上ま

光はこの自由電子によって絶えず散乱されている状態で宇宙の温度が上昇することになる．例えば太陽の表にある．光にとっては霧がかった状態にあり，自由電面温度は 10 K，中心温度が 10 K のオーダーである子が原子核に捕獲されて初めて真っ直ぐに進めるようことを考えると，とてつもない高温であることが分かになる．このような意味合いで宇宙の「晴れ上がり」る．また，この再加熱期には解放されたエネルギーかと呼ぶ．宇宙誕生後から，およそ 38 万年後の出来事

ら様々な粒子が生成される．ところで，このような高である．

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温下において，物質はどのように振る舞うだろうか．

この宇宙の晴れ上がりから直進を始め，宇宙空間を我々の身の回りにある物質は様々な原子によって構成旅して現在の我々まで届いた光を宇宙背景輻射と呼ぶ．

されており，原子は陽子と中性子からなる原子核と電現在まで旅する間に宇宙膨張によって 2.73 K まで冷子に分けることができる．更にミクロに見ていくと陽やされたこの光は 1964 年に実際に観測的に発見され子や中性子はクォークと呼ばれる素粒子の集まりであておりビッグバン宇宙論を支える強力な証拠となった．

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る【図 2】．再加熱時の 10 K 以上という極度の高温

また，前述のインフレーション時に生成された量子ゆ環境下では，物質はこのような構造を安定して保つこ

らぎは空間の微細な非等方性を生み出し，これが基ととができず，クォークや電子といったバラバラの素粒なって宇宙背景輻射に僅かな温度ゆらぎを生じさせる子の状態で存在することになる．宇宙膨張によって宇ことが予測される．この温度ゆらぎについても，後の宙の温度が段々と低下し，10 K 程度まで下がると，より詳細な宇宙背景輻射の観測によってその存在が確

まずクォークが結合を始め陽子や中性子が安定して存認されており，インフレーションの理論模型を検証す在できるようになる．更に，10 K まで低下すると，る上で非常に強力なデータを提供している．

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陽子と中性子 1 個ずつが結合し，重水素原子核が合成され始める．驚くべきことに，ここまでが宇宙誕生後からおよそ 1 秒間の間に起こった現象である．そ5．構造形成の後，300 秒程度が経過して一定量の重水素原子核宇宙の晴れ上がり後も膨張による温度低下は続く．

が合成されると，これと残った陽子，中性子を素材とこの時期の宇宙は自ら光を発する恒星が存在しない暗してヘリウムやリチウム，ベリリウムといった軽元素黒時代にある．ただし，後の時代へと移る変化が水面の原子核が次々に合成される．これがビッグバン元素下で継続している．インフレーション中に生じて引き合成である．宇宙がある程度膨張し核融合に必要な温伸ばされた量子ゆらぎは，宇宙背景輻射に微細な温度度と密度を下回るとこの元素合成は終了する．ちなみゆらぎを生み出し，更に物質分布にも僅かな粗密を生に，上記よりも重い元素はビッグバン元素合成ではなじさせる．初期に僅かに密だった箇所は重力によってく，その後の星の内部での核反応によって合成され，周りから物質を集め更に密になっていく．時計の針を超新星爆発等によって宇宙にばらまかれる．

一気に進めよう．宇宙誕生後から数億年後，ビッグバ

さて，ここまでの議論では電子について触れてこな

ン元素合成によって生成された水素やヘリウムは重力かった．実は電子が原子核に捕獲されるためには更な的に収縮し，ついに巨大な恒星が産み出される．最初る温度の低下を待つ必要がある．具体的には，10 Kの星の誕生である．恒星は内部での核融合反応によっ程度まで温度が下がると宇宙を満たす光の平均エネルて，水素やヘリウムを原料に酸素や炭素といったビッ

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グバン元素合成時には作られなかった重元素を作り上げる．そうして核融合の燃料がつきると自重を支えられなくなり爆発する．これを超新星爆発と呼ぶ．超新星爆発によって宇宙空間に放出された重元素を含んだガスは，次の世代の星々を産み出す．このようなサイクルを重ねて，宇宙は様々な元素に満たされることに【図 2】物質の構造

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特集

宇宙を探る理学研究なる．誕生した星々は万有引力で引かれ合い，銀河を，銀河群を，銀河団を，超銀河団を形成する．このようにして宇宙の大規模構造が徐々に形作られていったのである．これを構造形成と呼ぶ．

6．宇宙後期加速膨張
そして現在，宇宙誕生から 138 億年が経過した．
宇宙は長らく減速膨張を続けてきたが，現在付近で異変が起こる．宇宙後期加速膨張の開始である．第 2【図 3】光度距離の理論曲線

節末において触れた通り，この現象は従来の理論的な予測と真逆の結果であり，これを引き起こす未知の成の間に暗黒エネルギーによる宇宙の膨張率の変化を感分を暗黒エネルギーと呼ぶ．後期加速膨張は超新星のじ取り温度ゆらぎのスペクトルを変化させる．これを観測を通して 1998 年に発見された．超新星の中にははじめとした様々な独立した観測から，暗黒エネルギ原理的に爆発時の光度が一定になるものがあり，このーの性質を明らかにしようとする研究が全世界で進めような天体の観測データから得られた結果である．以られている．

下で詳しく見ていこう．まず，光源から発せられる光暗黒エネルギーの正体は現時点では不明だが，理論が単位面積あたりを通過する量を考える．光がどの方模型を構築することは可能である．一般相対論のアイ向にも同様に，すなわち球対称に伝搬する場合，球のンシュタイン方程式に，宇宙項と呼ばれる定数を追加

表面積は星からの距離の二乗に比例するため，光が単した宇宙項模型は，この暗黒エネルギーを記述する上

位面積あたりを通過する量は光源からの距離の二乗にでの標準的な模型となっている．ただし，この模型に反比例することになる．よって，光源の元々の光度がは，理論的に求まるエネルギースケールと観測値の間分かっていれば，単位面積あたりを通過する光の量をに桁外れの違いが生じるという問題や，初期値の微調測ることで，光源までの距離を割り出すことができる．

整問題といった未解決問題を抱えている．そのため，更に，天体からの光は放出された後，観測者に到達す宇宙項以外の理論模型も提唱されており，素粒子物理るまでの間に宇宙膨張を経験するため，光度距離には学に現れるものと類似のスカラー場を用いた模型や，宇宙膨張の情報が焼き付けられることになる．よって，一般相対論を拡張した修正重力理論に基づく模型が世

光度距離を介して暗黒エネルギーが存在する加速膨張界中で活発に研究されている．

宇宙と，暗黒エネルギーが存在しない減速膨張宇宙を観測的に見分けることが可能となる．なお，この光度距離は，理論的には天体から発せられる光の赤方偏移

7．おわりにの関数として求まる．赤方偏移とは，宇宙膨張によっ物理学は，宇宙が誕生してから現在に至るまでに引て天体が観測者から遠ざかる方向に動くことに起因し，き起こされた驚異的な現象の数々を理論と観測の両輪音のドップラー効果の類似で天体から発せられた光のにより次々に解き明かしてきた．しかし，その度にま波長が引き伸ばされる度合いを表す．【図 3】が光度た宇宙は予想外な新たな姿を明らかにしている．例え距離の理論曲線である．横軸が赤方偏移，縦軸が無次ば本稿では触れることができなかったが，宇宙にはも元化した光度距離であり，ΩDE は現在の宇宙の組成比う一つの暗黒成分である暗黒物質が存在しており，現全体を 1 としたとき暗黒エネルギーが占める割合を在の宇宙は約 68％ が暗黒エネルギーに，約 27％ が表す．ΩDE＝0 の緑の曲線は暗黒エネルギーが存在し暗黒物質によって占められている．我々の知る通常物ない減速膨張宇宙を，ΩDE＝1 の赤の曲線は暗黒エネ

質は全体のうち残り 5％ 程度に過ぎない．暗黒エネ

ルギーのみが存在する加速膨張宇宙に相当している．

ルギーと暗黒物質，現在の宇宙の大半を満たすこの二1998 年 に 超 新 星 の 観 測 デ ー タ の 統 計 解 析 か ら，つの暗黒成分の起源解明は 21 世紀の物理学におけるΩDE≈0.7 が観測的に好まれることが示され，宇宙後最大の課題の一つと言えるだろう．この解明に向けて，期加速膨張の存在が発見されたのである．超新星から理論と観測の垣根を越えて忌憚なく意見を交わし，既の光以外にも，暗黒エネルギーは様々な可観測量に影存の枠組みにとらわれることなく長期的な視野を持っ響を与える．例えば，宇宙背景輻射は我々に届くまでて研究を推進していく必要がある．
理大

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