数値計算の専門家が暗黒エネルギーの宇宙論的謎を解明するのに役立つかもしれない
ビッグデータは、物理学における最大の疑問の一つである「ダークエネルギーとしても知られる宇宙の膨張率の謎の加速の背後に一体何があるのか」に対する答えを天文学者にさらに深く理解させるかもしれない。
つまり、ワシントン大学 DIRAC 研究所の数字分析担当者には、やるべき仕事が山積みだということ。
謎を解く上でのデータ分析の役割は、月曜日の夜、ワシントン大学キャンパスで初めて開催されたDIRAC研究所の一般公開で行われた講演で明らかになった。講演者は、他でもないバークレー大学の天体物理学者ソール・パールマッター氏だ。彼はダークエネルギーの最初の証拠を発見し、2011年にノーベル物理学賞を共同受賞した。
最初の証拠は、超新星宇宙論プロジェクトのために行われた長年にわたる綿密な観測から得られました。パールムッター氏と彼の同僚たちは、1A型超新星と呼ばれる特定のタイプの恒星爆発を探して空をスキャンしました。このような超新星は特徴的な明るさとスペクトル特性を持つため、「標準光源」として利用でき、地球からどれだけ離れているか、どれだけの速度で遠ざかっているかを判断することができます。
研究チームは、それらの距離（明るさで測定）と外向きの速度（星の光の波長のドップラーシフトで測定）を相関させることで、数十億年の間に宇宙の膨張率がどのように変化してきたかを見ることができた。
天文学者たちは、この速度は一定か減速していると予想していたが、加速していることが判明し、驚愕した。パールマッター氏のグループと、ジョンズ・ホプキンス大学のアダム・リース氏とオーストラリア国立大学のブライアン・シュミット氏が率いるライバルグループは、1998年に同時にこの研究結果を発表し、3年後にノーベル賞を共同受賞した。
理論家たちがダークエネルギーを説明する仮説を立てるのに、それほど時間はかかりませんでした。いくつかの仮説では、ダークエネルギーは時間とともに変化する根本的な力であり、クインテッセンス、Kエッセンス、ファントムエネルギーなど、様々な呼び方で呼ばれる性質であると主張しています。
一方で、これは単に宇宙定数として考慮に入れるべき、空間の基本的な特徴に過ぎないと主張する者もいる。これはアルバート・アインシュタインが一般相対性理論において当初検討したが、後に放棄した考えである。
あるいは、1915年にアインシュタインが理論を考案して以来、一般相対性理論はあらゆる観測テストに合格しているにもかかわらず、一般相対性理論が間違っている可能性もあります。
「科学者が大好きなのはこういうことです」とパールマッター氏は言った。「物理学者は、宇宙が何か全く奇妙なことをしているのを発見するために生きているんです。」
問題は、どの仮説が正しい可能性があり、どの仮説を捨てるべきかを判断するのに十分な超新星観測データがまだないということです。幸いなことに、今後さらに多くのデータが得られる予定です。
ハッブル宇宙望遠鏡による「See Change」と呼ばれる観測キャンペーンのおかげで、極めて遠方の銀河団で20個以上の超新星が検出されました。これまでのところ、See Change超新星に関する詳細は、研究者の調査結果を歪めないよう「隠蔽」されています。
「設計とテストの真っ最中に結果だけを見てしまうと、自分自身を欺くのは非常に簡単です」とパールマッター氏は説明した。「物事をじっくり見て、答えを知っていると思い込まない理由を、もっと多くの人に理解してもらいたいです。これは政治の世界にとっても重要なメッセージだと思います。」
パールマッター氏は、研究チームは今後1か月ほどで結果を公開する準備を進めていると語った。
See Changeデータセットや既存データを用いたその他の分析は、理論家が仮説を微調整するのに役立つ可能性があるが、仮説を除外するには十分ではない。「そのためには次世代の技術が必要だ」とパールマッター氏は述べた。
これはDIRAC研究所にとって大きなチャンスです。「DIRAC」とは、天体物理学と宇宙論におけるデータ集約型研究（Data Intensive Research in Astrophysics and Cosmology）の略です。「このような研究所を設立するには絶好のタイミングです」とパールマッター氏は述べました。
同研究所の研究者たちは、カリフォルニア州のズウィッキー・トランジェント・ファシリティ（ZTF）とチリの大型シノプティック・サーベイ望遠鏡（LSST）から得られる膨大な天体サーベイデータの解析に向けて準備を進めています。ZTFプロジェクトは観測データのパイプラインへの取り込みを開始したばかりですが、最終的には毎晩4テラバイトのデータが追加される予定です。2020年代初頭に稼働開始予定のLSSTは、毎晩約20テラバイト相当の画像を生成します。
「これらの新しいデータセットには驚きが期待できると思う」とパールマッター氏は語った。
宇宙がどんな驚きをもたらすのかを予測するのは、ノーベル物理学者でさえ難しい。しかし、パールムッター氏は敢えて推測してみた。
注目すべきことの一つは、宇宙の膨張速度が著しく加速し始めた約 50 億年前に起こった宇宙の変遷です。
「私たちは、それがどのようにして起こったかについてのわずかな違いを見たいと思っています。それは、加速している理由の説明の一部となる、いわば減衰する場の特徴となるでしょう」とパールマッター氏は語った。
「現段階では、理論家に尋ねても、あまり根拠となる答えは返ってきません。理論の違いはごくわずかで、しかも50もの似たような理論を並べ立ててくるんです」と彼は言った。「しかし、私たちが期待しているのは、もし説明が必要な行動のように見えるものを見たら、それが『なるほど！』という瞬間の材料になるということです。」
ダークエネルギーの謎が解明されれば、パールムッター氏をはじめとする物理学者たちは、宇宙の長期的な未来をより安心して予見できるようになるかもしれない。宇宙は、現在有力視されている仮説のように、永遠の闇へと消え去ってしまうのだろうか？それとも、まだ発見されていない要因によって宇宙の速度が減速し、その後、逆ビッグバンによって全てが再び衝突するのだろうか？
パールマッター氏は、ZTF と LSST の観測によってさえも確固たる答えが得られるのかどうかはまだ言えない。
「でも、そんなにがっかりはしてないよ」と彼は言った。「良いミステリーは、良い答えと同じくらい、いや、もしかしたらそれ以上に良いと思うんだ」
