見過ごされてきた宇宙論の時代が、宇宙を理解する探求において注目を集める

ポケベルが戻ってきたか想像できますか?確かに、スマートフォンはメモ帳、懐中電灯、カメラ、パーソナル アシスタント、MP3 プレーヤー、財布、ソーシャル メディア ブラウザとして機能します。しかし、ポケベルのおかげで、友人や同僚にメッセージを送信するという重要なことを簡単に行えるようになったとしたら、私たちは皆、ポケベルを生活に取り入れたり、初めてポケベルを採用したりしたことを想像してみてください。

このような救いの弧は、宇宙の歴史の研究である宇宙論で起こります。主人公は、古代のテクノロジーではなく、ビッグバン元素合成 (BBN) と呼ばれる宇宙史の一時代です。

一部の宇宙学者は、BBN は古すぎるため、初期宇宙の他の探査機ほど優れた宇宙論ツールにはならないと考えています。しかし、BBN は、宇宙論を利用して素粒子物理学についてさらに学ぶ私の研究プログラムにとって大切なものです。私たちは、この古代の宇宙論的時代から得られた最近の結果が、どのように宇宙に関する新しい研究を導くことができるのかを目の当たりにしました。

宇宙のスマートフォン

宇宙論のスーパースターは、ビッグバンから約 40 万年後に形成された宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) です。それは、電子と原子核が最初の中性原子に結合したときに現れた、暖かい光と冷たい光のパッチが空全体に広がるパッチワークです。地球から見ると、それぞれの高温または低温のパッチは、月がロックオンできるほど小さいです。

CMB の複雑なモデル化は、いくつかの集中的な観測キャンペーンの対象となってきましたが、それには十分な理由があります。宇宙論における重要な科学モデルには、研究者が宇宙を理解するために測定する必要がある 6 つの主要な未知の量があります。これらすべての量は、CMB を適切に測定することで推定できます。

しかし、CMBのはるかに古く、あまり有名ではないいとこが脚光の一部を奪い始めています。

椅子取りゲーム

宇宙は爆発音、ビッグバンとともに始まり、約 10 分後、史上最大の椅子取りゲームが始まりました。それまで、宇宙はまだ太陽よりも密度が高く、熱かったのです。しかし、原子の中心を構成する陽子と中性子が自由に融合して原子核を形成できる程度に冷却された。

ゲームが始まり、各陽子は融合する中性子を探しました。幸運にも中性子のパートナーを見つけた陽子は重水素を形成しました。このカップルは、別の中性子をはぎ取ってトリチウムを作るか、別の陽子を取り出してヘリウム 3 を作るかのどちらかでしょう。さらに陽子または中性子がそれぞれ 1 つずつ増えて、最終的にヘリウム 4 が生成されました。ヘリウム 4 は、2 つの陽子と 2 つの中性子を含む非常に安定した原子核を持っています。

問題は、椅子の位置がずれているかのように、ゲーム中に宇宙の中性子の数が減少していることです。中性子は原子核に結合していないと不安定で、約 15 分以内に軽い粒子を自発的に吐き出し、わずかに軽い陽子になります。

宇宙が寒くなりすぎてこれらの粒子が融合を続けることができなくなったとき、音楽は永久に止まりました。その時点で、ゲーム開始からわずか 20 分で、ほぼすべての中性子が陽子に変わるか、ヘリウム 4 に到達していました。幸運にもペアになることができなかった陽子は、おそらく何千年もの間単独で存在し、現在も単独で宇宙をさまよっている可能性があります。

このプロセスはビッグバン元素合成と呼ばれます。天体物理学者は、原始存在量と呼ばれる、最後までに形成されたヘリウム 4 と重水素の量を実際に測定できます。

しかし、2026年9月に発表されたヘリウム4の原始存在量の新たな測定結果は驚くべき精度を達成し、これまで知られていなかった詳細レベルでBBN期の宇宙に関する情報を提供した。

初期宇宙への窓

ビッグバンのわずか数秒後、中性子は軽い粒子を吸収して陽子になり、15 分後の BBN の終わりに向かって起こった崩壊とは異なるプロセスでビッグバン元素合成の準備を整えました。この変換は、宇宙が非常に高密度で高温である限り発生する可能性があります。この条件が満たされる時間が長くなるほど、BBN が始まる前により多くの中性子が陽子に変換される可能性があります。

しかし、ビッグバンの後、宇宙は急速に膨張しました。宇宙の構造の伸縮は放射線によって推進されました。ここで「放射線」とは、小さな質量を持つ熱い粒子を指します。膨張率、そしてそれに代わる放射線の量が、宇宙の密度がどれほど早く低くなるかを決定しました。

希薄な宇宙では誰もが遠く離れているため、中性子が粒子を吸収して陽子に変わるのはより困難です。宇宙の膨張が速ければ速いほど、中性子を陽子に変換する時間が短くなるため、BBN の始まりとなる中性子の数が増えることになります。椅子取りゲームの開始時に中性子が増加すると、終了時にはヘリウム 4 が増加することになります。

したがって、放射線量によってヘリウム 4 の最終的な存在量が決まります。この豊富さを測定することで、同僚と私は逆算して初期宇宙の正確な放射線量を見つけます。

これは測定すべき重要な量です。素粒子物理学者は、宇宙の物質の 80% を占めるほとんど目に見えない物質であるダークマターについてさらに詳しく知るためにこれを利用できるなど、さまざまな理由があります。

暗黒物質やその他の仮説物理学の多くのモデルでは、標準的な宇宙論で予想されるものよりもわずかに多いかわずかに少ない放射線が必要です。この量を正確に測定することは、素粒子物理学者がこれらの予測を真実から区別するのに役立ちます。

将来を見据えて

BBN は現在、CMB よりも初期宇宙の放射線量を正確に決定しています。そして彼の新しいスキルはヘリウム4にとどまりません。 21 世紀を通じて行われた原始重水素の測定により、宇宙論者は陽子や中性子などの粒子の密度を極めて正確に知ることができます。 BBN がこの数量を決定する精度は、CMB の精度に匹敵しますが、まだ超えていません。

CMB はスポットライトを諦めるつもりはない。新しい高精度 CMB 望遠鏡であるシモンズ天文台が最初の観測を行っているため、宇宙論におけるすべての主要な未知の要素のさらに正確な測定がすでに進行中です。しかし、次世代実験CMB-S4が昨年無期限に停止されたため、シモンズ天文台がデータ取得を終えた後、測定を改善する明確な道筋は見えていない。

もしかしたらBBNが戻ってくる時期が来たのかもしれない。さらに優れた BBN データを取得するには、専用の天文台は必要ありません。その代わりに、観測者は既存の望遠鏡や計画中の望遠鏡でより多くの時間を必要とするだけです。天体観測の短期的な改善により、物理学者は宇宙の構造、ひいては歴史と未来の理解にこれまで以上に近づく可能性があります。