じつは「ビッグバンによって宇宙ができた説」は問題だらけ…残されたナゾと通説に挑む新理論を一挙紹介！
高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 によるストーリー
• 10 時間
2024．9.8
138億年前、点にも満たない極小のエネルギーの塊からこの宇宙は誕生した。そこから物質、地球、生命が生まれ、私たちの存在に至る。しかし、ふと冷静になって考えると、誰も見たことがない「宇宙の起源」をどのように解明するというのか、という疑問がわかないだろうか？
本連載では、第一線の研究者たちが基礎から最先端までを徹底的に解説した『宇宙と物質の起源』より、宇宙の大いなる謎解きにご案内しよう。
＊本記事は、高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所・編『宇宙と物質の起源「見えない世界」を理解する』（ブルーバックス）を抜粋・再編集したものです。
ビッグバン宇宙モデルの問題点
ビッグバン宇宙モデルですが、ある決定的な問題があることがわかってきました。本記事ではそのお話をしたいと思います。
遠くを見ることは、過去の宇宙を見ることに相当します。例えば、うみへび座銀河団までの距離は約1億6000万光年です。地球で1億6000万年前といえば、ジュラ紀の中期から後期にさしかかるという恐竜が全盛の時代です。その時期にうみへび座銀河団を出た光が、現在、地球で観測されているのです。逆に、うみへび座銀河団に住んでいる宇宙人たちは、ジュラ紀の地球から出た光を、現在観測しているのです。彼らは、現在の地球には恐竜がいると判断してしまうのでしょうが、やむを得ません。
火の玉のなごりの電波は、宇宙誕生から約38万年後に発せられました。その時期に火の玉宇宙が透明になり、光が散乱されずに直進できるようになったのです。現在は、138億年かけて飛んできた138億年前の約0.3eVのエネルギーの光を見ることができます。どの方向を見ても約10万分の1の精度で絶対温度で約3度（マイナス270℃）なのです。
宇宙誕生38万年でも、現在から見ると、138億年前の宇宙の地平線から飛んできているのです。138億年から38万年を引いても、近似として約138億年ですね。それは赤方偏移を受けて、現在は絶対温度3度の電波になっているのです。大事なことは、その方向から138億年かけて初めて宇宙の地平線の近辺（138億年マイナス38万年ですが）から地球にたどり着いたということです。一方、その反対からも、観測事実として、同じ絶対温度3度の電波がやって来ています。
ここで、不思議なことが起こっていることにお気付きでしょうか？
光の速度で飛んでも、今まで決して出会うことのなかった宇宙の端と反対側の端から138億年かけて飛んできた光の温度が同じということを言っているのです。反対方向の端から端までの距離を測ると、単純に138億光年の約2倍ということになります。宇宙の年齢は138億歳ですから、2倍の276億光年離れた場所の両者の光子は因果関係をもたないはずです。それなのに、地球で測定されたときに同じ温度になっているのです。この不思議な矛盾は「宇宙の地平線問題」と呼ばれます。
深刻な「平坦性問題」
その他、ビッグバン宇宙モデルでは、宇宙が膨張するにつれ、宇宙の時空の曲がり具合（曲率）のエネルギーが支配的になるという理論予想があります。しかし、観測される宇宙の曲率のエネルギーがとても小さくて、現在の宇宙の曲率が平らすぎるという「平坦性問題」なども深刻な問題として知られています。
また、宇宙の温度ゆらぎの起源について、ビッグバンは何も教えてくれません。熱平衡の火の玉の中の粒子の統計的なゆらぎでは、約10万分の1という大きさのゆらぎはつくれないのです。もっと小さいものしかつくれません。
加えて、宇宙初期に素粒子論との大統一理論を適用すると、宇宙年齢10-³⁶秒（100京分の1秒の100京分の1）ぐらいのころに、モノポール（磁気単極子）と呼ばれる、とても重い磁石のような物体が大量につくられることが知られています。そのエネルギーは理論計算により、なんとダークマターの100兆倍以上多くなってしまって、現在の宇宙と矛盾してしまいます。
その場合、重力が強くなり、138億年よりもっと前につぶれてしまって人類は生まれないことになります。これは、「モノポール問題」と呼ばれます。
また、超対称性理論という新理論では、重力を媒介する重力子（グラビトン）の超対称性パートナーである、「グラビティーノ」という重い未発見の粒子の存在が予言されており、宇宙初期の火の玉の中でたくさんつくられるとされています。
超対称性理論は、そのように超対称性という、素粒子特有のスピンを入れ替える対称性をもつ未発見のパートナーがいると予言する理論です。グラビティーノはとても長寿命で、3分以上の寿命をもつ可能性があります。その場合、崩壊して高エネルギー光子を出してしまうことが予想されています。ちょうどビッグバン元素合成でヘリウムがつくられた後に崩壊するならば、高エネルギー光子がヘリウムを壊してしまい、観測と矛盾する危険性があります。これは「グラビティーノ問題」と呼ばれています。
「インフレーション」で問題解決！
実は、前述したビッグバン宇宙モデルの問題点、つまり、1. 地平線問題、2. 平坦性問題、3. 温度ゆらぎの起源、4. モノポール問題、5. グラビティーノ問題を解決する、新たな宇宙モデルの新しい機構が、インフレーションなのです。以下に、それについて紹介します。
また、前述した宇宙創成時のインフレーションとは、エネルギースケールが違うことが観測的にわかっているので、ここで説明することは、おそらく2回目以降のインフレーションではなかろうかと考えられています。宇宙初期に加速的に膨張する時期、おそらく大統一が起こるエネルギー、1京GeV、つまり、温度に換算すると1京度の10兆倍ぐらいのエネルギースケールで、インフレーション期があったと仮定されます。その膨張のスピードはすさまじく、光の速さを超えるものだったとするのです。ビッグバンのときのように、時間の1/2乗に比例するなどという勢いではなく、膨張の速度が加速していく加速膨張を通じて急激に大きくなるのです。加速膨張の意味は、後に詳しく説明します。
ビッグバンの前の急激な膨張
そうした急激な加速膨張は、アインシュタイン博士が導入した宇宙項が定数であるときに起きることが知られています。それはアインシュタイン方程式の解の1つなのです。
その宇宙項をつくっていると期待されているのが、未発見のスカラー場（もしくはスカラー粒子）です。これはヒッグス場のようにスピン0の場で、インフレーションを引き起こすという意味で、「インフラトン場」と呼ばれることもあります。すでに知られているスカラー場には、既出のヒッグス場がありますね。そのインフラトン場が一定のポテンシャルエネルギーをもつときに、宇宙項のような役割を演じます。
ポテンシャルエネルギーとは、素粒子の場の位置エネルギーに対応するエネルギーです。ポテンシャルエネルギーが高いほど、転がり落ちるときの運動エネルギーを大きくする「ポテンシャル」が高いと理解します。そのポテンシャルの高いところに乗っかって宇宙が始まった場合、インフレーションが自然と起こるのです。
加速的な急激な膨張と聞いても、すぐに思い浮かべることは難しいかもしれません。ビッグバン宇宙の膨張は、爆発的な膨張とも形容されますが、実はそこまで速くないのです。そう聞くと驚かれるかもしれませんね。ビッグバンの膨張の速度が速いといっても、その速度がどんどん遅くなる減速膨張であることが、フリードマン解など理論計算で明らかとなってきました。
一方、加速膨張とは、膨張の速度がどんどん速くなっていく膨張なのです。もし、宇宙のエネルギー密度が宇宙定数のような一定のエネルギー密度に支配されたならば、前述のフリードマン方程式では、加速度が正となり、加速膨張を起こすのです。その膨張の様子は指数関数的膨張とも称されます。その様子を次に簡単に説明します。
例えば、そのときの宇宙年齢から、同じくらい宇宙年齢がたつと、宇宙の大きさが約2.7倍になるような膨張の仕方なのです。簡単にするために、次からは、きっちり2倍の場合を例として話します。さらに、最初から測って宇宙年齢の2倍たつと、宇宙の大きさは4倍になります。この性質をもつならば、宇宙年齢の10倍たつと1024倍、20倍たつと約100万倍、30倍たつと約10億倍になるというように、倍々ゲームのように急激に大きくなっていきます。これが指数関数的な、つまり加速的な膨張なのです。インフラトン場のポテンシャルエネルギーが一定の場合、そのエネルギーは宇宙定数とみなすことができます。
宇宙の温度が大統一理論のエネルギースケール（1京度の10兆倍）だったとき、宇宙の年齢は約10-³⁸秒、つまり、1000京分の1秒の1000京分の1でした。その約10-³⁸秒の間に、宇宙は約10²³倍、つまり1兆倍のさらに1000億倍ぐらいの大きさに膨張します。この数は、1センチメートルのビー玉が一瞬の間に銀河の大きさ（約10万光年）になるぐらいの急膨張であったことを示しています。
インフレーションはなぜ必要か
そのように、インフレーション前には温度が等しく絶対温度3度になるような条件をそろえた因果関係のある小さな領域が、インフレーションにより一気に地平線の外まで広がったと解釈するのです。その場合、インフレーション前にはそれぞれ近い領域でしたので、上記の因果関係を破るわけではありません。つまり、今まさに光が届こうとしている地平線とその反対側の地平線は、昔は同じ小さな領域の中だったと解釈されるのです。これで地平線問題は解決されます。
また、風船の例をもう一度思い出すと、そうした急膨張は丸まっている風船を一瞬で大きくして、その丸まり具合を伸ばして平らにするほどだったと考えられます。このようにして平坦性問題も解決されます。
その一方、インフラトン場は素粒子なので、量子力学の不確定性原理に由来する「量子ゆらぎ」をもち得ます。大きな量子ゆらぎは、激しい膨張の最中に真空から生成されると考えられています。その量子ゆらぎが急激な膨張を受けて地平線の外まで引き伸ばされると、時間とともにゆらいでいたインフラトン場の量子ゆらぎは、地平線の外では、あたかも振動していないように見えるほど長い波長に伸ばされます。そのとき、時間とともに、ゆらぐという量子的な性質を失っていきます。
そうすると、元の振動の波長が凍りついたそのパターンは、場所ごとにゆらぐ、古典的な密度（曲率）ゆらぎとなります。インフレーションが終わり、インフラトン場が光子などに崩壊して火の玉宇宙（ビッグバン宇宙）をつくるわけですが、そのとき、火の玉の温度はその密度（曲率）ゆらぎに沿うようにゆらぎをもってつくられます。そして、その温度ゆらぎは、宇宙マイクロ波背景放射のゆらぎとして、今日、WMAP衛星やプランク衛星に観測されるのです。
加えて、インフレーション後に実現される、そうした火の玉の温度は、必ずしも大統一理論のエネルギースケール（1京度の10兆倍）に戻る必要はありません。この温度を再加熱温度と言います。インフレーションの前にも火の玉があったかもしれないので、再加熱と呼ばれます。インフラトン場の寿命が十分に長いなら、火の玉の再加熱温度は、大統一理論のエネルギースケールよりずっと低い温度になる可能性があります。その場合、モノポールをつくるだけのエネルギーが足りなくて、モノポールはつくられず、モノポール問題は解決されます。また、グラビティーノ問題についても、火の玉の温度が10万GeV以下、つまり100京度以下というさらに低い再加熱温度が実現されているならば、グラビティーノの量が十分につくられず、崩壊しても有意な量のヘリウムを壊さずにすむせいで、観測データに抵触しないのです。
このように、低い再加熱温度の実現により、グラビティーノ問題が解決されるに違いないと理解されています。
＊ ＊ ＊
さらに「宇宙と物質の起源」シリーズの連載記事では、最新研究にもとづくスリリングな宇宙論をお届けする。
大好調の意見
宇宙創成論は難しくてよく理解できませんが、ビッグバーン理論では説明できないこともあるのでしょうか。面白いと思われます。