インフレーション 理論の現在
特集

小松英一郎が語る

絞られてきたモデル
宇宙誕生直後に起きたインフレーションと呼ばれる急膨張
それはどのようなものだったのか
宇宙最古の光の全天観測から理論モデルが絞り込まれてきた

協力：小松英一郎（独マックス・プランク宇宙物理学研究所）

中島林彦（日本経済新聞）

原点に回帰するモデル■ 誕生直後に宇宙が急膨張したとするインフレーション理論は宇宙最古の光，「宇宙マイクロ波背景放射」の全天観測によって検証が進んでいる。
流れを生み出した探査機 WMAP のデータ解析で中心的役割を果たした。
■ インフレーションのモデルは多数提唱されているが，小松博士によると，

有力なモデルの多くは淘汰され，最初期のモデルが改めて脚光を浴びてい日経サイエンスる。現在，インフレーションで生じたと考えられる原始重力波の探索が進んでおり，その結果でモデルの正しさが試されることになる。

日経サイエンス 2017 年 6 月号

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SLIM FILMS AND EDWARD BELL

■ 独マックス・プランク宇宙物理学研究所の小松英一郎所長は，この研究の宇宙が誕生直後に急激に膨張したとわたって観測を続け，その結果に基づてしまう凄まじさだ。相対性理論によ平坦なのか，そして一様かつ等方なのよってもたらされる結果だと考えられだ。ビッグバン直後の宇宙は超高温で，するインフレーション理論は 1980 年

いて宇宙初期，具体的には宇宙誕生かると，何物も光速を超えるスピードでか（下の解説を参照）。こうした問題が，ているが，実はそうではない。誕生直光子が物質粒子と混ざり合い，激しく

代初めに提唱され，これまでの宇宙論

ら約 38 万年後の宇宙の温度分布を示

動くことはできないが，物体が運動す

インフレーションによって説明できる

後の宇宙で「もし真空のエネルギーのぶつかり合う，不透明なスープのよう的観測（宇宙の成り立ちや発展を調べす詳細な全天マップが作成された（右る舞台となる空間そのものが光速を超と考えられたのだ。

分布に大きな揺らぎがあれば，インフな状態だった。だが宇宙が膨張するにるための広域的な天文観測）によって，ページ上段の図）。この温度分布マッ

えるペースで膨張することは可能だ。

ところが小松博士は，インフレーシ

レーションは始まらない。真空のエネ

連れて温度が下がると，物質粒子の正

実際にインフレーションが起きたこと

プの解析からインフレーションが起きインフレーションは膨張のペースがョンは宇宙の一様等方性についてのルギーの値がどこもほぼ同じ，かなり電荷を持つもの（陽子など）と負電荷が有力視されている。どのように起きた可能性が高いことが明らかになった。

時間とともに速くなる加速膨張だった「問題解決にはならない」と語る（以大きな領域がないといけない」という。

を持つもの（電子など）が結びつき，たのかを記述する理論モデルも数多くとみられるが，インフレーションが終下の発言もすべて博士による）。
「一様「かなり大きな領域」とは，具体的水素原子やヘリウム原子になった。原

わると膨張のペースが次第に遅くなる

等方な宇宙を説明しようとしてインフにはインフレーションが起きる前の宇子の間に空間が空き，光子は直進を始

年から始まった，深宇宙からやってく

WMAP の 後 継 と な る 欧 州 宇 宙 機 関（ESA）の探査機プランクも，2009 年
か ら 2013 年 ま で の 4 年 間， 第 2 ラ グ

減速膨張に移行した。物理法則によれレーションを持ってくると，最初から，宙で，光が届くことのできる「宇宙のめた。こうして宇宙が晴れ上がった。

る宇宙最古の光「宇宙マイクロ波背景

ランジュ点で背景放射を観測，より解ば，短時間に一気に膨張すると温度がつまりインフレーションが起きる前か地平線」の中の領域だ。宇宙の地平線

この時に宇宙に放たれ，直進を始めた

放射」（左下の解説を参照）の精密測

像度が高い，宇宙初期の温度分布マッ下がる。誕生時の宇宙が熱かったのか

ら一様等方な宇宙だったと仮定しないの内側という広大な領域で，真空のエ光が，その後の宇宙膨張によって波長定によって，理論モデルの有力候補がプ を 作 成 し（ 右 ペ ー ジ 下 段 の 図 ），冷たかったのかは不明だが，インフレと，現在の宇宙が一様等方であること

ネルギーがほぼ同じ値でなければインが引き伸ばされ，宇宙マイクロ波背景

絞り込まれてきた。

WMAP の観測結果を検証した。

ーションの加速膨張によって宇宙は極を説明できないというトートロジー

フレーションは起きない。これは非常放射となった。

限まで冷え込んだとみられる。

（同義語反復）に陥ってしまう」という。

に厳しい制約だ。

提唱され議論が続いていたが，2001

宇宙が晴れ上がったとき，それまで研究の流れを作ったのが 2001 年に独マックス・プランク宇宙物理学研

米航空宇宙局（NASA）が打ち上げた

究所長の小松英一郎博士は WMAP のインフレーションが終わると，加速「インフレーションを起こすには真インフレーションが高い支持を得たの時間内で，光子が到達できないほど

ウィルキンソン・マイクロ波異方性探データ解析で中心的な役割を果たした。

膨張の原動力となった膨大な「真空の空のエネルギーが必要だが，単にエネのは，背景放射が隅々まで一様である

遠く離れていた場所どうしは相互作用

査機「WMAP」だ〔ウィルキンソン

当時は米プリンストン大学のポスドク

エネルギー」が熱エネルギーに変換さルギーが存在するだけでなく，それがことを説明する有力な仮説だったからできないので，それらの場所の状態がはこの計画を提唱した故ウィルキンソ

研究員で，WMAP の研究グループのれ，宇宙は超高温状態になった。これほぼ一様に分布していることが重要だ

ン 博 士（David T. Wilkinson） に ち

最若手の 1 人だった。インフレーショ

がビッグバンだ。一般的に宇宙の始まということがわかってきた」。一般にな む 〕。WMAP は 第 2 ラ グ ラ ン ジ ュ

ン 理 論 に は 様 々 な モ デ ル が あ る が，りそのものをビッグバンということもは，一様等方性はインフレーションに点（右下の解説を参照）にとどまって，

WMAP が明らかにし，プランクが確あるが，インフレーション理論によれ宇宙の暗闇に目を凝らし，はるか彼方証した重要な成果は，意外な理論モデば，インフレーション終了に伴う宇宙からやって来る宇宙マイクロ波背景放ルが最有力候補として絞り込まれたこの熱化がビッグバンになる。

射（以下，背景放射）を全天で精密にとだ。それは 1980 年に当時のソ連（現インフレーション理論が提案された

測定した。

ロシア）で生まれた，インフレーショ

背景には，宇宙に関する 2 つの大きなン理論の原点ともいえる最初期のモデ謎があった。なぜ今の宇宙はこんなにルだった。今年 3 月，小松博士が一時

宇宙のあらゆる方向から到来するごの現在と将来展望を聞いた。

その空間に描いた三角形の内角の和を足すと 180 °になるという意味だ。曲
がっていない，曲率ゼロの空間で「ユー
クリッド空間」とも呼ぶ。WMAP とプ帰国した折に，インフレーション理論

宇宙マイクロ波背景放射

空間が「平坦である」というのは，

第 2 ラグランジュ点
地球から見て太陽と正反対の方向，

ランクの観測で宇宙が平坦であることが確証されたが，なぜ平坦になっていNASA/WMAP Science Team（up）,ESA and the Planck Collaboration（down）

WMAP は 2010 年 ま で の 9 年 間 に

平坦で一様等方な宇宙

るかは自明ではない。

く弱いマイクロ波のこと。1964 年に米インフレーションとは何か

月の周回軌道よりさらに先にある特定

例えば空間が正の曲率で曲がっていベル研究所（現ノキアベル研究所）のの場所に探査機を置くと，探査機は太て，三角形の内角の和が 180 °より大ペンジアス（Arno A. Penzias）とウィ

WMAP の成果で一般に最もよく知られているのは，宇宙の年齢が 137 億

陽と地球を常に同じ方向に見ながら公きくなる可能性もあった。2 次元のイ

ルソン (Robert W. Wilson）が発見し歳だと判明したことだろう。その後，

転運動することになる。この特定の場メージで表すと球面のような空間だ。

た。そのスペクトルから絶対温度約

プランクの観測で微修正され，現在は所は太陽と地球の重力バランスから決

逆に空間が負の曲率を持ち，三角形の2.7K の黒体放射に一致することがわ

約 138 億歳と推定されている。誕生時

まるもので，これを第 2 ラグランジュ

内角の和が 180 °より小さくなる，馬かった。超高温高密度の濁ったスープの宇宙の大きさは不明だが，インフレ点という。人工衛星では観測視野からの鞍（くら）のような空間も考えうる。

のようだった初期宇宙は膨張するにつーション理論によれば，誕生したその地球や太陽，月の姿を常に排除するの「一様」というのはどこにも特別なれて冷えて透明になり，宇宙誕生から

刹 那，1 兆 分 の 1 の 1 兆 分 の 1 の さ ら

は難しいが，月より遠い第 2 ラグラン

場所がない，「等方」というのはどの

約 38 万年後，光があらゆる方向に伝に 1 兆分の 1 秒という極めて短時間に，ジュ点に探査機を置き，太陽・地球と方向も特別ではないという意味。背景

逆方向にアンテナを向ければ，太陽と放射の観測は，銀河や銀河団などを超

地球，月はいずれも観測視野に入らなえた大きなスケールで見ると宇宙が一宇宙初期の温度揺らぎ

いので，これら 3 天体に邪魔されずに様等方であることを示しているが，な

温度揺らぎの全天マップを作成した。上段が WMAP によるマップで，青→緑→黄→赤の順に温度が高背景放射を常時観測できる。

ぜそうなったのかはわかっていない。

播できるようになった。この「宇宙の晴れ上がり」の際に放出された光が約140 億年かけて地球に到達したもの
が宇宙マイクロ波背景放射だ。

30

空間は 1 兆倍の 1 兆倍のさらに 100 倍以上という途方もない膨張をした。これを例えるならば原子核ほどの大きさが瞬く間に太陽系ほどの大きさになっ

日経サイエンス 2017 年 6 月号

http://www.nikkei-science.com/

WMAP とプランクは背景放射の全天観測を行い，宇宙誕生 38 万年後のくなる。下段はプランクによるマップで，青っぽいところは低温領域，赤っぽいところは高温領域になる。
見比べるとプランクのマップの方が解像度が高いことがわかる。

31

同じになる必然性は何らない。ところ

方宇宙はインフレーションの結果ではインフレーションが始まりさえすれ

たん始まれば，インフレーションを起「スタインハート自身もインフレーシう。場の揺らぎは粒子として見ることがそうした場所どうしで比べても，背なく，インフレーションが起きるためば宇宙は平坦になる。しかし先述のよこした領域はあっという間に他の領域

ョン理論で非常に重要な仕事をしたが，もできるので，量子揺らぎは粒子・反景放射の温度は，わずかな揺らぎを除の要請となる。
「これは困ったことだ」

うにインフレーションが起こる前の宇を凌駕する。宇宙は無限に広く，時間

最近はインフレーション理論に批判的

粒子のペアの対生成と対消滅の繰り返

けば同じだった。

と小松博士は言う。

宙の，当時の地平線内の一様等方性がも無限にあると考えてもよい。だからで，自身が提唱した別のモデルを強くしと見ることができる。量子揺らぎで要請されているとすれば，実際にイン

いつかどこかでインフレーションは必プッシュしている（40 ページからの生じる粒子・反粒子ペアは仮想的なもフレーションがあったかどうか，すぐず起こる。そうなればインフレーショ

記事）。ただ，そのモデルを支持してのだが，インフレーションでは空間がに答えは出ない。

ンが起きた空間が，宇宙のほとんど全いるのは彼らのグループぐらいだ」。

超光速で膨張するので，量子揺らぎでなぜそうしたことが起きるのか。当インフレーションで平坦に

初はインフレーションがこの謎を解決するかに思われた。もし宇宙誕生直後

小松博士は「インフレーションが解にインフレーションが起き，宇宙が超決する最も重要な問題は，宇宙の一様インフレーションが起きる前の宇宙てを占めることになる。「それでいい「探査機プランクの観測結果が出て対生成された粒子・反粒子ペアが超光

光速で加速膨張していたとしたら，宇等方性ではなく平坦性問題の方だ」とで，真空のエネルギーが場所ごとに大じゃないか，と，インフレーションをきたことで，インフレーション理論に

速で引き離され，対消滅できずに双方

宙の最初期に相互作用が十分に可能だ

話す。私たちの宇宙空間は，なぜ曲がきく揺れ動いているとしても，ある瞬支持する人はいう」。

合わない点が出てきたとスタインハー

が実体化してしまう。

った狭い領域がインフレーションによっておらず平坦なのか。インフレーシ

間，全体として一様な状況が出現しさ「こうした議論は非常に面白く，話トらは主張しているようだが，最もシインフレーションで実体化される粒って引き伸ばされ，晴れ上がり当時のョンはそれを無理なく説明する。

えすればインフレーションが起きるのを聞いていると，インフレーション支

ンプルなインフレーションの理論モデ子として重要なのは 2 つだ。1 つはイ

宇宙の地平線をはるかに超えて広がる

インフレーションが起きる前の宇宙ではないかとの見方もある。しかし，

持派と不支持派のいずれの側の意見もルが合わないというのは，WMAP のンフレーションを生じさせる場（インようになったと考えられ，背景放射ががどんな曲率を持ち，どんなに空間が計算してみると「そういう瞬間が生じ

もっともらしく聞こえる」。だがそのデータからすでにわかっていたことだ。

フラトン場）の粒子で「インフラトン」

あらゆる場所で同じである理由もうま歪んでいたとしても，インフレーショ

る確率は非常に低い。何もないところ

こと自体が問題だと，小松博士は指摘

これは重要な知見だが，インフレーシという。インフラトンは光子などと同く説明できる。

ンによって空間が超光速のペースで一から偶然，僕たちの宇宙がぽっと生まする。インフレーション理論は極めて

ョン理論そのものを棄却しなければな様，電荷を持たない粒子。粒子と反粒だが，そもそもインフレーションが気に引き伸ばされれば，現在，私たちれるくらいの確率だ。それでは結局ダ

柔軟で，あらゆる可能性を許容してしらないほどの問題なのかというと，そ子は同じものだと考えられている。

始まるためには，インフレーション前が観測できる範囲の宇宙くらいなら平

メじゃないかということになる」。

まう。「問題は，インフレーション理

んなことはない」の宇宙において，当時の宇宙の地平線

坦になるからだ。

ただしいくら確率が低くても，いっ内の隅々まで真空のエネルギーが一様
時空を総覧するでなくてはならない。つまり，一様等

約 138 億年前に宇宙，つまり私たちが存在している時空が誕生してから起きた主な出来事を示すイメージ図。インフレーションによって空間が急膨張したように描かれているが，今から数十億年前からも宇宙は加速膨張していると考えられている。

宇宙約 138 億年の歴史
発

ら
せ

れ

る
が

凝

ESA-C. Carreau

子
が
粒
射
態
質
放
る
状 まる
物
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た
に
生
背
っ が始
）
造
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，
化 り合 成
構
し
波
形
生
熱
た
離
力
誕
の 混ざ 造
れ
分
重
構
の
ン 始
宙 が
り が
ら
河
ョ 原
宇 子 よる
が 子
代 作
銀
シ と
（ 光
上 光
時 形
と
生
ー ぎ
ン と 子に
れ と
黒 で
星
誕
レ ら
バ 子
晴 子
暗 質
の
の
フ 揺
グ 粒 質粒
の 粒
の 物
初
宙
ン 温度
ッ 物質 物
宙 物質
宙 暗黒
最
宇
イ
ビ
宇
宇
黒
暗

0

32

秒

−

10

32

秒

−

10

30

秒

秒

1 00
1

秒

年

1 00
1

年

38

年

万

2

年

億

10

集

る
す

銀

化 超
進 と
の 河団
河

銀

河

団

の

形

年

1

00

まだデータが足りないと小松博士はたインフラトンをインフラトン場の揺うことだ。実際にどれくらい確率が低指摘する。「まずは原始重力波の検出

らぎ（波）として見ると，インフレー

いのか，どれくらいの体積がインフレに力を注ぐことだ。現在の原始重力波

ションによって，その波長が引き伸ばーションで占められるのか，だれも計の探索は，観測装置の感度が理論予想されていく。インフレーション中も量算できない」。

から考えてまったく不十分だ。今後の子揺らぎは生じているので，インフレ

我々の宇宙，つまりインフレーショ

探索で原始重力波が検出されれば，たーションの初期段階で実体化したインンが終了してビッグバンが起きた後のとえ確率は低くてもインフレーション

フラトンの波長は非常に長くなり，逆宇宙で，どのように時間軸を設定する

で宇宙の平坦性を説明しようというこにインフレーションの最終段階で実体かについては，物理学者の間に一応のとになるだろう」。

化したインフラトンの波長は短くなる。

のは，我々の宇宙の母体となった，イ
在銀

億論では定量的に何も計算できないといそしてインフレーションが終了して合意がある。だが今問題になっている

成

現

年

億

38

年

億

1

日経サイエンス 2017 年 6 月号

インフレーションによって実体化しカギを握る原始重力波

宇宙が熱化する際，実体化したインフンフレーションが起きる前の何もない

ここでいう原始重力波とは，2016

ラトン場の揺らぎは，様々なスケール（真空のエネルギーはある）宇宙の話

年 2 月に，米国の重力波望遠鏡 LIGOの温度揺らぎとして宇宙に刻印される。

だ。いったいだれから見て確率が低いによる世界初検出が発表されて大ニュということになるのか。時間の軸はどースになった重力波とは発生機構が異WMAP やプランクが背景放射の全天観測から求めた宇宙誕生 38 万年後のこにあるのか。「真空の中を走っていなる。LIGO が検出した重力波はブラ

温度分布は，インフレーションによっる時間というのは，概念としてちょっックホール連星の合体の際に生じたもて実体化したインフラトン場の量子揺とあやふやだ。僕たちの宇宙は，母体

ので，物理的には物質の加速度運動にらぎがおおもとになっていると考えらとなる宇宙の真空の中から泡のようによって発生した。ブラックホール連星れている。温度揺らぎによって密度揺生じてくる。泡の中の時間軸は，そのの合体や中性子星連星の合体では超高らぎが生じ，密度揺らぎが種となって，周りの時間軸とはまったく違ってくる。

密度で大質量の物質が激しく動くため，銀河団や超銀河団からなる宇宙の大規だからインフレーション理論に問題あ大きな重力波が発生する。一方，原始模構造が生じたとみられている。宇宙り，という指摘はその通りだと思う」。

重力波はインフレーションで生じたもの大規模構造がなぜ生じたのかは大きな謎となっているが，インフレーショ

インフレーション理論に異を唱えるのだ。これは次のように説明される。

急先鋒は米プリンストン大学のスタイ

一般的に，電磁場や重力場などの物

ンハート教授（Paul J. Steinhardt）ら

理学的な「場」が存在すれば，その場インフレーションで実体化するもうのグループだが，小松博士は懐疑的だ。

は常に揺らいでいる。量子揺らぎとい1 つの粒子は重力子（グラビトン）だ。

http://www.nikkei-science.com/

ンがその答えとなる。

33

日経サイエンス

小松英一郎（こまつ・えいいちろう）

逆に振幅が大きくなるなら ns ＞ 1 だ。

の値は距離（位置），ポテンシャルののが 1 つの候補になる」（45 ページのだとすると，かなり複雑になるのでインフレーションの理論モデルのほ値は位置エネルギーになる。ここでイグラフの青で描いたカーブがφの n 乗『インフレーション理論なんてもうい

とんどは，ns が 1 よりやや小さい値にンフラトン場は宇宙の全体的な状態をのグラフのイメージ）

やだ』というような声も出てきた」。

なることを予言する。インフレーショ

表す物理量なので，場の値は宇宙のエ「私たち WMAP の研究グループは，

小松博士は，当時の雰囲気をこう振りンが終わりに近づくと，加速膨張のペネルギーに，ポテンシャルの値は宇宙2007 年に発表した論文で，n ＝ 4 の理返る。「一方で，非常に多数のインフースが落ちると考えるのが自然だ。そのエネルギー密度になる点に注意が必論モデルは観測結果に合わないとしてレーションモデルを提唱されている横の場合，量子揺らぎによって実体化す要だ。インフラトン場のポテンシャル

棄却してしまった。当時，n ＝ 4 とい山 先 生（ 東 京 大 学 の 横 山 順 一 教 授。

るインフラトンは相対的に少なくなり，の形はおわん形になり，宇宙の状態は，うのは非常にナチュラルなモデルだと

40 ページからの記事の監修者。後述

波として見ると振幅が小さくなるため，

そのおわんの中を動くボールとして表思われていた。それが棄却されたので，するスタロビンスキー博士とは長年のns が 1 よりやや小さくなる。

現できる（右下のグラフ）。

今度は『n ＝ 2 だろうね』という話に共同研究者でもある）などは，『シン

小松博士らは WMAP による背景放宇宙の誕生時，ボールはインフラトなった。n ＝ 2，つまり場のエネルギ

プルなモデルが棄却されただけで，大射の全天観測から得られた温度分布のン場のおわんの斜面の上の方にある。

ーは場の値の 2 乗で表せるというのは

勢に影響はない』という立場だった。

マップと他の宇宙論的観測のデータをボールが転がり落ちるにつれてエネル

非常にシンプルなモデルで，多くの研僕も同じだった」。

合わせて解析，ns ＝ 0.96 という値をギーが解放される。おわんの斜面が緩究者の支持を集めていた」

はじき出した。インフレーション理論

やかだったり，ボールの転がり方がゆ

当時，小松博士は WMAP のリーダーであるジョンズ・ホプキンズ大学の2010 年同大学教授，
データ解析で中心的役割を果たす。2003 年からテキサス大学オースティン校に移り，ションが起きたことを強く支持する値

WMAP の研究グループは 2007 年
っくりだったりした場合は，一定時間， 以降も背景放射の観測を続け，2013
場のエネルギーがほぼ一定になる。す
年に発表した論文で，n ＝ 2 のモデル

2012 年から現職。東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構（IPMU）の客員上級科学研究員も兼務。一
般向けの著書（共著）に『宇宙の始まり，そして終わり』（日経プレミアシリーズ 283）がある。

だ。
「これはインフレーション理論にると宇宙ではインフラトン場のエネルも棄却されることを明らかにした。こか」と問われた。「そういえば，と思とってすごく重要なことだ。WMAP

ギーが支配的になり，その斥力によっ

れによって，それまで有力視されていい出したのがソ連科学アカデミー（当のときはほかの観測データと合わせて，てインフレーションが始まる。ボール

たインフレーションの理論モデルの多時，現ロシア科学アカデミー）のラン

くが棄却される事態となった。

ダウ理論物理学研究所のスタロビンス

独マックス・プランク宇宙物理学研究所長。1974 年兵庫県出身。東北大学大学院博士課程在籍時から
プリンストン大学で研究，2001 年プリンストン大学のポスドク研究員として WMAP プロジェクトに参画，の多くのモデルと一致し，インフレー

ベネット教授（Charles L. Bennett）
から「観測結果に合うモデルはないの

グラビトンも粒子と反粒子は同じもの（ただし後述のように B モード偏光のこの結論に至ったが，プランクのデーは最終的にはおわんの底に到着し，ゆだと考えられている。検出されたこと

ノイズもあるので，切り分けが重要にタが出て，WMAP のデータと合わせらゆらと揺れる。インフレーションが「n ＝ 2 で 駄 目 だ と な る と， も う 1

キ ー 博 士（Aleksei A. Starobinsky）

はないが理論的に存在が予言されておなる）。また原始重力波がどれほどのることで初めて背景放射の観測だけか終了し，インフラトン場のエネルギーつパラメーターが必要なのではないか。

が 1980 年に発表したモデルだった」。

り，重力場（時空）の揺らぎ，つまり強さになるのかはインフレーションのら言えるようになった」。

が熱エネルギーに変換されてビッグバ

重力波として見ることができる。イン理論モデルによってかなり異なる。裏

もう 1 つのパラメーターは，インフフレーションが終了した時点では，実返して言えば，原始重力波を検出してレーションによって実体化したインフポテンシャルの形は理論モデルによ体化したインフラトン場の揺らぎと同

そのスペクトルがわかれば，インフレラトン場の量子揺らぎの大きさと，重って異なり，それによって 2 つのパラ様，様々な波長の重力波が存在したはーションの証拠となるだけでなく，そ力場の量子揺らぎの大きさの比だ。
「テ

メーターの取り得る領域が異なる。小

ずで，これが原始重力波だ。

の理論モデルを絞り込むことができる。

ンソル・スカラー比」といい，r で表松博士らは WMAP の観測結果と他の原始重力波の中には，インフレーシ

逆にもし原始重力波が見つからなかす（テンソルは重力場，スカラーはイ

宇宙論的観測のデータを総合して ns

ョンとその後の宇宙の減速膨張によっったら「何か特異なインフレーション

ンフラトン場の特性を表す用語）。両と r が取り得る範囲を求め，インフレて，波長が 100 億光年以上もの超巨大が起きたか，あるいはインフレーショ

方の量子揺らぎが同じ大きさの場合，ーションの理論モデルを絞り込んだ。

サイズに引き伸ばされたものが含まれンではない初期宇宙のシナリオを考え

r ＝ 1 となり，インフラトン場の揺らている。それらは現在に至るまで宇宙なければいけなくなるかもしれない」。

ぎより重力場の揺らぎが小さい場合は

2 つのパラメーター

原点となった理論モデル「インフラトン場のポテンシャルは，

ぼすべてのインフレーションのモデル

インフレーションのエネルギー（真空は r ＜ 1 を予言する。

のエネルギー）がインフレーション中

原始重力波は必然的に生じる。LIGO

原始重力波が検出されてインフレーの感度では到底検出できないが，背景

ションが確証された場合，理論モデル

放射の偏光分布を解析すれば，その存を絞り込むカギとなるパラメーターは数多くあるインフレーションの理論モの谷の形（おわんの形）を数式で記述在がわかるとみられている。この偏光2 つある。1 つはインフラトン場の揺デルの違いは，インフラトン場のポテ

すると，インフラトン場の値をφとすとは，光（電磁波）の振動方向の偏り

らぎの波長と振幅の大きさの相関関係

ンシャルの形の違いだ。通常，場のエ

れば，ポテンシャルはφの 2 乗で表せのことだ。原始重力波が宇宙を伝わっを表すパラメーターで，「ns」と表す。

ネルギーは場の値によって変わり，場る。4 乗でも 6 乗などでもよい（2 のていた場合，背景放射の全天マップに振幅の大きさが波長によって変わらなの値を横軸，その場が持つエネルギー

倍数ならグラフはおわん形になり，数は「B モード偏光」という特有の偏光い場合 ns ＝ 1 だ。波長が小さくなるを縦軸として描いたグラフをポテンシ

が大きくなるほど傾きが急になる）。

パターンが刻み込まれると考えられるにつれて振幅も小さくなるなら ns ＜ 1，ャルと呼ぶ。例えば重力場の場合，場φの n 乗（一般的に n は偶数）という34

問題はどれほど r が小さくなるかだ。

日経サイエンス 2017 年 6 月号

宇宙にどう変わるかを示す。ポテンシャル

http://www.nikkei-science.com/

場の値

インフラトン場

そのポテンシャルはおわん形で，宇宙の状態は，おわんの上のボールとして表現できる。横軸のインフラトン場の値はエネルギーを，縦軸のポテンシャルの値はエネルギー密度を表す。宇宙誕生時，ボールはおわんの斜面上方にあり，それから転がり落ちて，最後にはおわんの底に達する。これがインフレーションが終了し，ビッグバンが起きることに対応する。

35

DMITRY KRASNY

インフレーションが起きたとすれば，ポテンシャルの値

r ＜ 1，逆の場合は r ＞ 1 となる。ほを伝わり，地球にも届いているはずだ。

ンが起きた状態だ。

佐藤・グース両博士がそれぞれ提唱呼ばれる想像を絶する超高エネルギーを聞いた小松博士は「高熱を発して寝フラトン場のポテンシャルをφの n 乗したインフレーションのモデルは，後状態を扱うが，r が 0.001 を超えるよ

込んでしまった」という。「BICEP2で表される単純なおわんの形ではなく，にインフレーションをうまく終わらせうな大きな値だとすると，インフレーの結果が信じられなかった。背景放射指数関数を用いて表している。場の値ることができないことがわかり，そのション時のインフラトン場のエネルギの 1 つの周波数帯の観測で B モード偏がゼロの付近ではおわんの形に似てい後，米スタンフォード大学のリンデ教

ーの変化が，プランクエネルギーさえ光が見えたというのは完全にナンセン

るが，値が大きくなるにつれて場のエ授（Andrei D. Linde）ら，多くの研大幅に超え，超弦理論では手に負えなスだった」。背景放射は幅広い周波数

ネルギーの増え方が頭打ちになる。こ

究者が様々なモデルを提唱した。しかくなるのだ。

帯の電磁波（マイクロ波）から構成さのためポテンシャルが上に凸のカーブ

し精密な宇宙論的観測を経て生き残っ「もし r が 0.001 レベルより大きなれ，原始重力波の B モード偏光のシグを描き，スープ皿のように縁ができる。

たモデルの 1 つは結局，インフレーシ

ところで原始重力波が見えてしまった

ナルをノイズから切り分けるには，複パラメーターは 1 つで，これも非常にョン理論の原点となったスタビロンス

ら，一気に『あれ？

大丈夫なの超弦数の周波数帯で観測を行う必要がある

シンプルなモデルといえる（45 ペー

キーモデルだったわけだ。

理論？』ということになってしまう。

が，BICEP2 ではそうした測定はしてジのグラフの赤のカーブがスタロビン「佐藤・グースはインフレーションだから r がものすごく小さな値になるいなかった。「でも結果は本当かもし

スキーのポテンシャルのイメージ）。

によって宇宙の平坦性問題が解決できであろうことは，専門家の中では一般れない。だとしたらどう解釈すればいると指摘した。その意義は非常に大き的に言われていた」

いのか。感情の激しい起伏に身体がつ小松博士ら WMAP の研究チームは，い。スタロビンスキーは平坦性につい

かつて超弦理論でインフレーション

いて行けなくなっていた」と振り返る。

論文で，わざわざ独立のセクションをては何も言っていない。一方，原始重が起きるモデルを作るのは非常に難し

一方，BICEP2 の結果に喜んだ研究

設けスタロビンスキーの理論モデルに力波の存在を最初に言い出したのはスかった。超弦理論では宇宙定数は負の者もいた。この観測が正しければ，イ

ついて詳しく解説した。これがきっか

タロビンスキーで，しかも彼自身のイ値になり，正の値を実現できない。宇ンフラトン場のポテンシャルのグラフ

けでモデルは再び脚光を浴び，スタロ

ンフレーションの論文が出る前年の宙定数は一般相対論の方程式の中に出はφの 2 乗の形になる。超弦理論の研

ビンスキー博士はその後，グルーバー

1979 年に論文発表している。原始重てくる宇宙項の係数で，正の値なら空究者にとっては残念な結果だが，スタ宇宙論賞やカブリ宇宙物理学賞など有力波が観測で発見された場合，理論研

間に斥力が生じ，インフレーションがロビンスキー以外の理論モデルの多く力な国際賞を次々と受賞している。

究のパイオニアとして第一に名前が挙起きるが，逆に負だと引力になり，イを支持する研究者には朗報だった。

げられるのはスタロビンスキーだ」

ンフレーションが起きない。だが「何「BICEP2 のインパクトはすごいも年か前に（超弦理論から）正の値を取ので，超弦理論の研究者もがんばってり得る論文が出て，すごいインパクト

なんとかしようという雰囲気になっスタビロンスキーモデルは，インフレーション理論の原点となったモデル
だ。インフレーション理論のパイオニ幻となった原始重力波の検出

− 50

赤緯︵度︶

観測の解析結果をまとめた 2013 年のSteffen Richter, Harvard University（ photo）,BICEP2 Collaboration（graph）

スタロビンスキーモデルでは，イン

− 55

− 60

− 65

30

20

10

0

−10

− 20

− 30

赤経（度）

アとして世界的に知られるのは，東京スタロビンスキーモデルが予言するがあった」。それだけに超弦理論で扱た」。実は超弦理論でも巧妙な工夫を

大学名誉教授の佐藤勝彦博士と，米マ

テンソル・スカラー比 r の値は 0.003。

える r の値に近いレベルを予言するス

凝らせば r が大きな値でもインフレー

サチューセッツ工科大学のグース博士

重力場の揺らぎは，インフラトン場のタロビンスキーモデルは注目された。

ションを起こすことができる。スタン

ドで，この中に BICEP2 が置かれている。BICEP2 は南天の “ サザンホール ”と呼ばれる暗い領域について，（Alan H. Guth）だ。両博士は素粒子

揺らぎに対して非常に小さいというこ

ところが翌 2014 年 3 月，そうした

フォード大学のシルバースタイン博士

背景放射に由来する波長約 2mm の電波の偏光を観測，その偏光状況を天球上に棒線の向きとして記し論の標準モデルの発展版である大統一とになる。小松博士らがスタロビンス

流れを一気にひっくり返すニュースが（Eva Silverstein）が作ったモデルだ。

理論で予言される空間の相転移が，宇キーモデルに言及した論文を発表した

世界に発信された。南極点の米アムン「だからシルバースタインは BICEP2

宙誕生直後の超高エネルギー状態で起

数カ月後，プランクの観測結果の最初

ゼン・スコット基地にある BICEP（バの結果が出たときは喜んでいた。僕がきるとインフレーションが生じることの論文が出て，r は 0.11 より小さい

イセップ）2 望遠鏡が，天球のごく一『いやあ，これ（BICEP2 の結果）はード偏光のノイズは，BICEP2 グルー

ンクは背景放射の温度分布を非常に詳

を理論的に発見し，それぞれ 1981 年と報告された。スタビロンスキーモデ部の領域について背景放射の偏光分布

絶対違うよ』と言うと『何でお前はそプの想定よりもはるかに大きいことがしく調べたが，偏光分布については感に主要論文を発表した。

ルとの間に矛盾は生じない。

を観測した結果，原始重力波に特有のんなことを言うんだ』と怒ったものだ」。

わかった。原始重力波の B モード偏光度が不十分で，ごく弱いとみられる原

南極点で観測BICEP2 望遠鏡は南極点の米アムンゼン・スコット基地にある。上段の写真，画面手前の建物屋上にあるパラボラのようなものは，地上付近からの光が望遠鏡に入ってこないためのシール

た偏光マップが作られた（下段の図）。縦軸は天球の赤緯，横軸は赤経。マップに表れている渦巻模様がB モード偏光のパターン。赤い領域と青い領域は，それぞれ時計回りと反時計回りの渦巻が強く表れているところ。その後，プランクのデータからこうした B モード偏光は星間塵によるものだとわかった。

一方，スタロビンスキー博士は，佐r が非常に小さいモデルは，超弦理

B モード偏光のシグナルを捉えたとい結局，BICEP2 の結果は探査機プラのシグナルを星間塵ノイズから切り分

始重力波を検出できない。各国のグル

藤・グース両博士の論文が出る前年の論の研究者からも歓迎された。超弦理

うのだ（右ページの写真と図。中島林

ンクの観測データによって否定された。

けられないことがはっきりし，一連のープは感度を 1 桁上げ，r が 0.01 レベ

1980 年に発表した論文で，一般相対論は現代物理学の柱となる量子力学と彦「インフレーションの証拠を観測」

原始重力波は背景放射の偏光分布に B

騒ぎは収束した（中島林彦「幻だったルの原始重力波の検出を目指している。

論を超高エネルギー状態に適用しよう

一般相対論を統合する有力理論で，イ

日経サイエンス 2014 年 6 月号）。小松

モード偏光という特有のパターンを刻『原始重力波の発見』」日経サイエンス

背景放射は大気中の水蒸気に吸収さとすると量子論的な補正が必要になる

ンフレーションへの適用も長らく研究

博士を含め多くのインフレーション理

み込むが，実は天の川銀河内の塵（星2015 年 4 月号 NEWS SCAN）。

と指摘。その補正をするとインフレーされてきた。この超弦理論の進展を受論の研究者が驚いたのは，観測された間塵）によっても背景放射に B モード

ションが起きることを理論的に示した。

けて提唱された新たなインフレーショ

原始重力波の r の値が 0.2 と非常に大偏光が生じる。プランクは背景放射を

この時に博士が示したインフラトン場

ンのモデルでは，r の値は非常に小さ

きかったことだ。

複数の周波数帯で観測し，星間塵によのポテンシャルが，指数関数で表され

く，最大でも 0.001 程度とされていた。

これは WMAP やプランクの結果とる B モード偏光の状況を詳しく調べた。

世界初検出を目指して日米欧がしのぎアタカマ高地に集まっている。気球をるスープ皿型のモデルだったのだ。

超弦理論ではプランクエネルギーとまったく相容れない。BICEP2 の発表

その結果，星間塵のために生じる B モを削る状態が続くことになった。プラ使った高空での観測も行われている。

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日経サイエンス 2017 年 6 月号

http://www.nikkei-science.com/

れるので，観測には通年で乾燥している場所が適している。そのため各国のライトバード計画
原始重力波の探索は振り出しに戻り，

観測拠点は，BICEP2 などがある南極と，南米チリの標高 5000m を超える

37

宇宙背景放射の全天観測の歩み

像度が大幅に上がったことで初めて成し遂げられた」。
プランクのもう 1 つの成果は，全宇宙の高温ガスの分布を初

宇 宙 マ イ ク ロ 波 背 景 放 射 は NASA が 打 ち 上 げ た COBE とめて測定したことだ。熱いガスに背景放射の光子が突っ込んで

WMAP，ESA が打ち上げたプランクという三代の探査機によっ

いくと，散乱される。そして散乱されると，ガスを構成する電て行われ，段階的に解像度が上がってきた。WMAP に先立つ子から背景放射の光子にエネルギーが流れる結果，背景放射の第 1 世代の COBE は宇宙のビッグバンを検証，宇宙の大規模構

スペクトルが黒体輻射のスペクトルからずれてくる（スニャー

造の種となる背景放射の温度揺らぎを発見したことで，リーエフ・ゼルドビッチ効果）。そこから温度が 1 億度にも達する

ダー 2 人にノーベル賞がもたらされた。「COBE の結果はあれ

ような超高温のガスの存在がわかる。「背景放射の高周波成分

ほど素晴らしかったのに，WMAP が結果を出すまでノーベルがプランクによって観測され，スニャーエフ・ゼルドビッチ効

賞は授与されなかった。それは誰も COBE の結果を確認でき

果が高い精度で観測できるようになった結果だ」。

モチベーションになっている」と話す。

ではその次のステップは？と聞くとの課題だ。暗黒エネルギーの特性がわ

このレベルを目標に設定しているの「インフレーションはいったいどうや

かれば，インフレーションを起こす真には，現実的な理由もある。原始重力って起こったのかという問いの答えを

空のエネルギーを解明する大きな手が波の r が 0.001 より小さいと，天の川求めることだ」と答えた。

かりになる。暗黒エネルギーの特性を銀河の塵によって生じる偏光のノイズ

インフラトン場は，インフレーショ

考える上で重要なのは，数十億年前にとの切り分けができなくなってしまう。

ンを起こすものとして導入され，万物始まった加速膨張のペースが一定なの

人類が恒星間飛行を実現し，探査機をに質量をもたらすヒッグス場に似た特か，それとも時間がたつにつれて変化

数万光年先に飛ばして天の川銀河の外性を持つ「スカラー場」と考えられてしているのかという点だ。膨張ペースに飛び出さない限り，どれだけがんばいる。このインフラトン場と密接なつが一定であれば，暗黒エネルギーはアっても到達できる感度は r が 0.001 レ

ながりがあるのが，暗黒エネルギーだ。

インシュタイン（Albert Einstein）が宇宙は約 138 億年前に誕生した直後，一般相対論に導入し，その後撤回されベルまでなのだ。

なかったからだ。WMAP が追試して初めてノーベル賞が授与

全宇宙の物質分布とガス分布の関係は宇宙の進化を考える上された」と小松博士は語る。宇宙の年齢や宇宙を構成する主要で非常に重要だ。「プランクの結果は，宇宙がインフレーショ「もっとも僕自身は，それより 1 桁

インフレーションによって超光速で加な要素（物質と暗黒物質，暗黒エネルギー。詳しくは本文参照）

ンによって作られ，Λ-CDM（ラムダ・コールド・ダークマター）

大きい r が 0.01 あたりのところで原速膨張した。それが終わると，インフ

現在，日米欧の研究グループが，様々の割合，インフレーションのパラメーターについて WMAP がモデルで記述できることを明確に示していた」。Λ-CDM モデ

始重力波が見つかるのではないかと勝ラトン場のエネルギー（真空のエネルな宇宙論的観測によって宇宙の加速膨出した結果は，プランクによって追試され確度が上がった。

ルとは宇宙項（暗黒エネルギー）と，冷たくて重い暗黒物質粒

手に思っている。その場合，超弦理論

ギー）が熱エネルギーに変わってビッ

張のペースの時間変化を探っている。

た「宇宙定数」に近いものになる。

プランクの成果は WMAP の検証という側面が強調されがち子を宇宙の構成要素として想定したモデルで，現在，多くの研で説明するのはかなり難しくなるが，グバンが起き，減速膨張に移行した。

小松博士がマックス・プランク宇宙物

だが，「プランクによって初めて成し遂げられた重要な宇宙論究者が支持している。「このパラダイムは，プランクの観測にそっちの方が面白いじゃないですか」。

膨張速度が減速するのは，宇宙が内包

理学研究所長に就く前に立ち上げた米的観測もいくつもある。それらは背景放射が発せられた宇宙初

よってさらに強固なものとなった」。

もし r が 0.01 を超えており，超弦理論する物質による重力がブレーキとなっテキサス大学オースティン校テキサス

では扱えないほど大きかったら，超弦ているからだ。

宇宙論センターの宇宙論的観測プロジ■

期よりも現在に近い時刻の宇宙の物理に関するもので，素晴らしい結果だ」。1 つは重力レンズ効果（物質と暗黒物質の重力によって光の進行ルートが歪む効果）を全天にわたって観測し，全宇宙の物質（暗黒物質を含む）分布マップを作ったこと。背そのイメージ），天球上のそれぞれの場所によって 2 点相関関数（背景放射の温度分布から得られる）の値は全天平均から微妙にずれる。そのずれから重力レンズ効果の情報が得られ，全宇宙の物質分布がわかった。「背景放射が発せられた太古の宇
宙と，138 億年後の現在にいる僕たちの間の物質分布が全部見えたことになる。プランクによって背景放射の全天マップの解ESA and the Planck Collaboration

景放射は地球に届くまでに重力レンズ効果を受けるので（右は理論の研究者はそうした現実に合うモ

かつてはインフレーションが終了し

ェクト，HETDEX 計画もその 1 つだ。

デルを作るだろうと小松博士はみる。

て現在に至るまで，重力の作用による同大学のマクドナルド天文台（テキサ「今はそのモチベーションが足りない

減速膨張が続いていると考えられていス州）にある口径約 10m のホビー・だけだ」。

た。ところが 1990 年代後半に行われエバリー望遠鏡を用いて，宇宙の膨張

仮に r がそこまで大きければ，現在た超新星の宇宙論的観測から，宇宙は速度の時間変化を探っている。

進みつつある地上観測や気球観測で近数十億年前，減速膨張から再び加速膨「まさに今，データを取っていると

い将来，原始重力波が見えてくる可能張に転じたことがわかった。この加速ころだ。宇宙年齢でいうと比較的最近性が高い。それでもライトバード計画

膨張はインフラトン場のエネルギーにのところを調べている研究グループはの意義は薄れない。地上観測で片鱗を似た性質を持つ真空のエネルギーによ多いが，それよりもう少し古い時代の捉えた原始重力波を，宇宙でより詳細って生じていると考えられている。そ宇宙を調べようとしている」と小松博に観測できれば，原始重力波の存在をれが「暗黒エネルギー」だ。

士は語る。暗黒エネルギーの宇宙定数

BICEP2 の研究グループも，感度をさらに高めた BICEP3 で雪辱を期してする形で準備が進んでいる。順調に進

パクトはすごい。世界がどんな大騒ぎ

確証するのみならず，その発生メカニ

小松博士らは WMAP の観測から，

説を支持する研究者が多いが，「私た

めば 2020 年代中盤の打ち上げ予定だ。

になるかは，BICEP2 の際にもう見てズムに迫ることができると考えられる

宇宙に占める暗黒エネルギーの割合を

ちは宇宙定数説を棄却したいというのいる。高エネルギー加速器研究機構

小松博士もライトバードの研究メンいる。リハーサルは終わっている」。

からだ。「もっとも，もし r が 0.01 レ

明らかにした（その値はプランクの観がモチベーションになっている」。

（KEK）を中心とする日本グループはバーだ。東北大学大学院博士課程に在ライトバードは r が 0.001 レベルのベルで見える事態となれば，米国はす

測で微修正された）。宇宙の主要な要宇宙定数でないとしたら，現在の宇アタカマ高地での POLARBEAR の国

籍 し て い た 1999 年 秋，WMAP の 中

原始重力波を検出できる性能を備える。

ぐに探査機打ち上げに向けて動くだろ

素は星やガスを形作る普通の物質と，宙の加速膨張をもたらしている暗黒エ

際共同観測に参画している。

心メンバーであるプリンストン大学のプランクの約 100 倍の感度だ。スタロ

う。状況が不透明な今だからこそ，日普通の物質とは重力を介してのみ相互

ネルギーの場は，インフラトン場と同だが，こうした地上からの観測は原

スパーゲル教授（David N. Spergel）

ビンスキーモデルが予言する原始重力本がチャレンジする意義がある」と力作用する正体不明の暗黒物質，そしてじようなスカラー場である可能性があ

始重力波の検出感度が不十分との見方の グ ル ー プ に 加 わ っ た が， す で に

波は r が 0.003 なので，もし正しけれを込める。

暗黒ネルギーの 3 つ。WMAP とプラる。その正体を突き止めることは，かが強い。WMAP やプランクと同様，

WMAP は打ち上げ時期を間近にしてば検知できる。また r が 0.001 レベル

ンクの観測によると，宇宙が持つ全エ

つて宇宙の急激な加速膨張をもたらし

第 2 ラグランジュ点に置いた探査機におり，プロジェクトの立ち上げには関の原始重力波であればインフレーショ

ネルギーに占めるそれらの割合は，普たインフラトン場を解明することにつよる背景放射の全天観測が決定打にな

わっていない。

ンを超弦理論で十分，説明できる可能

原始重力波の B モード偏光が発見さ通の物質は約 5％，暗黒物質はその約ながるだろう。

暗黒エネルギーを探索りそうだ。POLARBEAR 日本グルーそれだけにライトバード計画に初期性が出てくる。「だから少なくとも r

れたら，次は何をするのか。「まずはプのリーダーでもある KEK の羽澄昌

段階から加わって仕事をするのは「非が 0.001 レベルの原始重力波を観測で観測された原始重力波が量子揺らぎか

5 倍の約 27％，暗黒エネルギーは実に約 68％と全体の約 7 割を占める。

て提唱されたインフレーション理論が，史教授が主導する探査機ライトバード

常に楽しい」と顔をほころばせる。
「原

きるところまで感度を引き上げたい。

ら来たものであることを明示したい。

暗黒物質と暗黒エネルギーの正体解

観測によって検証される日が近づいて（LiteBIRD） の 計 画 は， 欧 米 に 先 行

始重力波が見つかったら科学的なイン

それがライトバードの研究グループのどのように確証するかは考え中だ」。

明は，物理学と天文学における最重要38

日経サイエンス 2017 年 6 月号

http://www.nikkei-science.com/

日米さらにはロシアの研究者によっいる。

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