超新星で探る宇宙膨張の歴史

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Ia型超新星の観測データからハッブル定数を算出したところ、観測する距離によって異なる値となった。宇宙の膨張に関わる物理法則を見直す必要があるかもしれない。

【2021年5月21日 国立天文台

宇宙が誕生した138億年前から現在に至るまで宇宙空間は膨張し続けている。その膨張率は、宇宙に存在する物質やダークマターによる重力と、未知の作用であるダークエネルギーによって、時間の経過と共に変化してきた。現在の宇宙における膨張率を表す「ハッブル定数」は、宇宙論における重要なパラメータだ。

宇宙膨張の歴史のイメージ
宇宙膨張の歴史のイメージ(提供:国立天文台)

ハッブル定数の決定は年々精密になってきているが、導出に使う手段によって異なる値が出てしまうという問題が近年浮かび上がっている。代表的な2つの手段は、近傍の銀河の移動速度を調べる方法、そしてビッグバンの残光である宇宙マイクロ波背景放射を元に導出する方法だ。2つの手段で得られたハッブル定数には誤差の範囲では説明できないほどの違いがあり、研究者たちを悩ませてきた。

ただ、どちらの方法でも、宇宙膨張を加速させているダークエネルギーの影響が時代とともに不変であることを前提としていた。国立天文台のMaria Dainottiさんたちの研究チームが発表した内容によると、その大前提を変えなければいけないかもしれない。

Dainottiさんたちは様々な距離にあるIa型超新星の観測データを使ってハッブル定数を算出した。Ia型超新星は太陽の100億倍にも達するほど明るく輝く爆発で、そのピーク時の明るさが一定と考えられているため、見かけの明るさからIa型超新星までの距離を求めることができる。一方、遠方の天体から放たれた光は、宇宙膨張によって本来より伸びた波長となって私たちに届く。この伸びた波長の量(赤方偏移)を測定することで、天体が光を放った当時の宇宙の大きさを正確に知ることができる。

そこで、1048個のIa型超新星を距離に応じてグループ分けし、それぞれのグループの赤方偏移と宇宙論モデルを元にハッブル定数を求めたところ、使ったIa型超新星が遠くにあるほど、求まるハッブル定数が小さくなる傾向が判明した。これは、従来の手法で近傍銀河から求めたハッブル定数が大きく、宇宙背景放射で求めたハッブル定数が小さいこととも一致する結果だ。

今回明らかになったハッブル定数の食い違いは、観測の選択効果や超新星の性質の時間変化による可能性もある。しかし、これまで膨張宇宙のモデルで定数とされていたダークエネルギーの影響が時間と共に変化することで説明できれば、宇宙を支配する物理法則に見直しが必要となるかもしれない。

それを見分けるためには、今後さらに遠方の暗い超新星を多数観測し、宇宙膨張の歴史をより精密に描き出すことが必要となる。研究チームは今後も解析データを増やして研究を続けることを計画している。

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