130億光年彼方での一般相対性理論の検証-アインシュタインは間違っていなかった?-

130億光年彼方での一般相対性理論の検証-アインシュタインは間違っていなかった?-

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2017/11/29更新

岩室史英 本研究科物理学・宇宙物理学専攻准教授、太田耕司 同教授、奥村哲平 東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)特任研究員、日影千秋 同特任助教、戸谷友則 同大理学系研究科天文学専攻教授、秋山正幸 東北大学大学院理学研究科天文学専攻准教授らの研究グループは、すばる望遠鏡を用いたFastSound (ファストサウンド)という銀河サーベイにより、平均して130 億光年もの遠距離にある約3000個もの銀河までの距離に基づく宇宙3次元地図を完成し、地図中での銀河の運動を詳しく調べ、重力によって大規模構造が成長していく速度の測定に初めて成功しました。

 

今回の結果は、一般相対性理論は正しく、アインシュタインが導入した宇宙定数により宇宙の加速膨張が起きているという説をさらに支持するものです。

 

本研究成果は日本天文学会の発行するPublications of the Astronomical Society of Japan (欧文研究報告) のオンライン版に2016年4月26日付で掲載されました。

参考動画:史上最遠方の宇宙立体地図が完成、ダークエネルギーの謎に迫る研究が進行中 (提供:すばる望遠鏡)

  

研究者からのコメント

この研究で使用された観測装置 FMOSは、京大を中心に日英豪の国際協力で製作された巨大な観測装置で、可視光の2~3倍の波長の赤外線で数百もの天体のスペクトルを同時に取得できるという、とてもユニークな性能を持っています。この性能をフルに活かして得られた成果と言えます。以下の写真はその分光器部分(2台)です。

本研究成果のポイント:

  1. 宇宙の加速膨張の謎に迫るため、すばる望遠鏡を用いて遠方宇宙(130 億光年)にある約3000個の銀河の距離を測定し、立体地図を作成した。
  2. 銀河の運動を詳しく調べることで、宇宙の大規模構造が形成される速度を、このような遠方(過去)の宇宙において世界で初めて測定し、一般相対性理論が重力理論として正しいかを検証した。
  3. 得られた測定結果は、一般相対性理論の予言値と一致していた。宇宙の加速膨張は、アインシュタインが導入した「宇宙定数」によって説明できるとする説をさらに支持する結果となった。
 

概要

宇宙はビッグバンで誕生して以来、膨張を続けていますが、その原因は謎に包まれており、ダークエネルギーと呼ばれる謎のエネルギーが宇宙を満たしているか、あるいは、宇宙論が基礎に仮定しているアインシュタインによって確立した一般相対性理論が破綻しているのか、という二つの可能性が考えられ、精力的に研究が続けられています。

 

この検証にあたっては、宇宙論的なスケールで重力が一般相対性理論に従っているかどうかを、銀河のサーベイ観測によって多数の銀河までの距離を測定し、宇宙における銀河の3次元分布、いわゆる宇宙大規模構造を調べることが有効です。しかし、これまでの大規模構造成長速度の測定は、共同距離(観測する天体からの光が我々に届くまでの時間に、これまでの宇宙の膨張を考慮し算出される距離)で約100 億光年までの比較的近傍の宇宙に限られてきました。

 

そこで、研究グループは、FastSound (ファストサウンド; FMOS Ankoku Sekai Tansa (暗黒世界探査) Subaru Observation Understanding Nature of Dark energy)という銀河サーベイを遂行しました。これは距離共動距離で約124億光年から147 億光年の宇宙における銀河までの距離を測定する銀河サーベイです。

 

研究グループは、その中での個々の銀河の運動を調べ、大規模構造の成長速度の測定に成功しました。測定の統計的有意度は99.997% で、100億光年を超える遠方宇宙でこれだけの有意度で成長速度を測定できたのは世界で初めてのことです。そして、その測定値を一般相対性理論の予想値と比較したところ、測定誤差の範囲で一致していることがわかりました。

 

アインシュタインはかつて、自らが信じる「静止した宇宙」を可能とするため、一般相対性理論の基礎方程式である「アインシュタイン方程式」に「宇宙定数」と呼ばれるものを追加しました。のちにハッブルによって宇宙の膨張が発見され、宇宙定数の導入を「生涯最大の過ち」として撤回したことは有名です。しかし、現在の加速する膨張宇宙は、一般相対性理論にこの宇宙定数を加えることで説明できることが知られています。今回の観測結果は、この宇宙モデルにさらなる支持を与えるものです。