宇宙の加速膨張

宇宙の加速(英: accelerating universe)とは、宇宙の膨張が加速しているように観測されることである。1998年に、Ia型超新星の観測によって、宇宙の膨張が加速しているのではないかとの疑問が浮かび上がった。

観測的証拠

現在までに宇宙の加速膨張は複数の独立な観測からその証拠が得られている。宇宙背景放射, 重力レンズ, 宇宙の年齢 と宇宙の大規模構造,超新星の観測

Ia型超新星

Ia型超新星は白色矮星の質量がチャンドラセカール限界を超えたときに発生する爆発現象で、極めて明るく、かつ（適切な較正のもとで）光度が常に一定であると考えられている。このためIa型超新星は宇宙の標準光源として理想的な対象であり、高赤方偏移宇宙でのIa型超新星の見かけの等級と赤方偏移を比較することで、その光度距離の赤方偏移依存性を測定することができる。これは平坦な宇宙モデルのもとで赤方偏移 $z$ が1より小さいとき

$d_{L}(z)={\frac {cz}{H_{0}}}\left[1+{\frac {1}{2}}(1-q_{0})z+{\mathcal {O}}(z^{2})\right]$

という形で減速パラメータ $q_{0}$ に依存するから、Ia型超新星の観測によって減速パラメータを決定することができる。1998年にハイゼット超新星探索チームと超新星宇宙論計画は独立に遠方のIa型超新星の観測を行い、減速膨張 ($q_{0}<0$) が棄却されることを示した。なおこの業績でソール・パールマッター、ブライアン・P・シュミット、アダム・リースは2011年のノーベル物理学賞を受賞した。

理論的帰結

フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー計量を仮定するとき、スケール因子 $a$ に関する力学方程式はアインシュタイン方程式から得られる

${\frac {\ddot {a}}{a}}=-{\frac {4\pi G}{3c^{2}}}\sum _{a}(\rho _{a}+3p_{a})+{\frac {\Lambda }{3}}$

である。ここで $\Lambda$ は宇宙定数、$\rho _{a}$, $p_{a}$ は成分 $a$ に関するエネルギー密度および圧力である。ここで宇宙定数がなく、すべての成分が

$\rho _{a}+3p_{a}>0$

を満足するならば ${\ddot {a}}<0$ つまり $q_{0}<0$ となり減速膨張宇宙となる。それ故に宇宙の加速膨張は、アインシュタイン重力を仮定すると、正の宇宙定数が存在するか、不等式 $\rho _{a}+3p_{a}>0$ を破る何らかのエキゾチックなエネルギー成分が存在しなければならないことを示している。両者の可能性を合わせて、このエネルギー成分はダークエネルギーと呼ばれる。

→詳細は「ダークエネルギー」を参照

関連項目

• ハイゼット超新星探索チーム
• 超新星宇宙計画
• ブライアン・P・シュミット