宇宙

ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論に基づく未来
ﾀﾞｰｸｴﾈﾙｷﾞｰが観測される以前は､宇宙論研究者は宇宙の未来について二通りのｼﾅﾘｵを考えていた｡宇宙の質量密度が臨界密度より大きい場合には､宇宙は最大の大きさに達し､その後収縮し始める｡それに伴って宇宙は再び高密度･高温になってゆき､宇宙が始まった時と同じ状態（ﾋﾞｯｸﾞｸﾗﾝﾁ）で終わる｡またあるいは､宇宙の密度が臨界密度に等しいかそれより小さい場合には､膨張は減速するものの止まることはない｡宇宙の密度が下がっていくにつれて星形成は起こらなくなる｡宇宙の平均温度は絶対零度に次第に近づいていき､それとともに､より質量の大きなﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙも蒸発するようになる｡これは低温死 (cold death) として知られるｼﾅﾘｵである｡さらに､陽子崩壊が起こるならば､現在の宇宙のﾊﾞﾘｵﾝ物質の大多数を占める水素が崩壊する｡こうして最終的には放射だけが残る｡

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現在の加速膨張の観測結果からは､今見えている宇宙は時間とともに我々の事象の地平線を超えてどんどん離れていき､我々とは関わりを持たなくなることが示唆される｡最終的な結果がどうなるかは分かっていない｡Λ-CDM宇宙ﾓﾃﾞﾙは､宇宙定数という形でﾀﾞｰｸｴﾈﾙｷﾞｰを含んでいる｡この理論では銀河などの重力的に束縛された系だけはそのまま残され､宇宙が膨張して冷えるに従ってやはり低温死へと向かうことが示唆される｡幽霊ｴﾈﾙｷﾞｰ (:en:phantom energy) 説と呼ばれる別のﾀﾞｰｸｴﾈﾙｷﾞｰの説明では､ﾀﾞｰｸｴﾈﾙｷﾞｰの密度が時間とともに増加し､これによるﾋﾞｯｸﾞﾘｯﾌﾟと呼ばれる永遠に加速する膨張によって銀河団や銀河自体もばらばらに壊されてしまうとしている｡

■ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝを超える純理論的物理学
ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝﾓﾃﾞﾙは宇宙論の中で堅固に確立しているが､将来的には改良されるものと思われる｡ｲﾝﾌﾚｰｼｮﾝが起きたと仮定される最も初期の宇宙についてはほとんど分かっていない｡また､我々が原理的に観測できる範囲をはるかに超えたところにも宇宙の一部が存在するかもしれない｡ｲﾝﾌﾚｰｼｮﾝを仮定した場合にはそうなるはずである｡すなわち､宇宙の指数関数的膨張によって空間の大部分は我々が観測可能な地平線を超えて広がっていることになる｡我々が超高ｴﾈﾙｷﾞｰｽｹｰﾙでの物理を現在より深く理解した時に何が起こるかはある程度推測することができる｡その時には量子重力理論が構築されているはずである｡

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今まで提案された理論には以下のようなものがある｡
◆ｶｵｽ的ｲﾝﾌﾚｰｼｮﾝ
◆ﾌﾞﾚｲﾝ宇宙論ﾓﾃﾞﾙ｡ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝはﾌﾞﾚｲﾝ同士の衝突の結果起こるとするｴｷﾋﾟﾛﾃｨｯｸﾓﾃﾞﾙを含む｡
◆振動宇宙論｡初期宇宙の高温高密度状態は現在と同じような宇宙が過去にﾋﾞｯｸﾞｸﾗﾝﾁを起こした結果であるとする｡この説では宇宙は無限回のﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝとﾋﾞｯｸﾞｸﾗﾝﾁを繰り返してきたことになる｡ｴｷﾋﾟﾛﾃｨｯｸﾓﾃﾞﾙを拡張した循環ﾓﾃﾞﾙはこのｼﾅﾘｵの現代版である｡
◆時空の全体は有限であるとするﾊｰﾄﾙ＝ﾎｰｷﾝｸﾞの境界条件を含むﾓﾃﾞﾙ｡

これらのｼﾅﾘｵの中には定性的に互いに同等なものもある｡これらはそれぞれまだ検証されていない仮定を含んでいる｡

■ダークマター
1970年代から1980年代にかけて､様々な観測（特に銀河の回転曲線の観測）から､宇宙には銀河内や銀河間に働く重力の強さを十分説明できるだけの｢目に見える｣（電磁波を放出･吸収･散乱する）質量が存在しないことが明らかになった｡このことから､宇宙に存在する物質の90%は通常の､つまりﾊﾞﾘｵﾝからなる物質ではなく､ﾀﾞｰｸﾏﾀｰであるという考え方が出てきた｡これに加えて､宇宙の質量のほとんどが通常の物質であると仮定すると､観測と強く矛盾するような帰結が得られることも分かってきた｡具体的には､もしﾀﾞｰｸﾏﾀｰが存在しないとすると､宇宙には銀河や銀河団などの高密度の構造がこれほど大きく成長しなかったはずであり､また重水素の量が今よりはるかに多く作られたはずである｡ﾀﾞｰｸﾏﾀｰ仮説は当初は議論を呼んだが､現在では CMB の非等方性や銀河団の速度分散､大規模構造の分布などの観測や､重力ﾚﾝｽﾞの研究､銀河団からのX線の測定などを通じて､標準的宇宙論の一部として広く受け入れられている｡

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ﾀﾞｰｸﾏﾀｰは重力的な痕跡を通じてしか検出されておらず､ﾀﾞｰｸﾏﾀｰに当てはまるような粒子は実験室ではまだ見つかっていない｡しかし素粒子物理学からはﾀﾞｰｸﾏﾀｰの候補が数多く挙がっており､これらを検出するﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄがいくつか進んでいる｡

■ﾀﾞｰｸｴﾈﾙｷﾞｰ
1990年代に宇宙の質量密度の詳細な測定が行なわれると､宇宙のｴﾈﾙｷﾞｰ密度全体に占める質量の割合は臨界密度の約30%であることが明らかになった｡宇宙背景放射の観測が示すように我々の宇宙は平坦なので､残り70%のｴﾈﾙｷﾞｰ密度が説明されないまま残されていることになる｡現在､この謎はもう一つ別の謎と結び付いているように見える｡それは､Ia型超新星の複数の独立した観測から､宇宙膨張が厳密なﾊｯﾌﾞﾙの法則に従っているのではなく､非線形な加速をしていることが示されているという点である｡この加速を説明するためには､宇宙の大部分が大きな負の圧力を持つ成分からなっていることが一般相対論から要請される｡このﾀﾞｰｸｴﾈﾙｷﾞｰがｴﾈﾙｷﾞｰ密度の残り70%を担っていると現在考えられている｡ﾀﾞｰｸｴﾈﾙｷﾞｰの正体はﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論の大きな謎の一つとして残されている｡考えられる候補としてはｽｶﾗｰの宇宙定数やｸｲﾝﾃｾﾝｽなどがある｡この正体を理解するための観測が現在続けられている｡

■ビックバン理論の問題点
ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝがあったことを全く信じない､非標準的宇宙論 (non-standard cosmologies) の支持者も少数ながら存在する｡彼らはﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論の標準的な問題に対する解決策は理論のその場しのぎ的な修正や補足に過ぎないと主張している｡彼らにしばしば攻撃されるのは､標準的宇宙論のﾀﾞｰｸﾏﾀｰやﾀﾞｰｸｴﾈﾙｷﾞｰ､ｲﾝﾌﾚｰｼｮﾝといった部分である｡しかし､これらの特徴についての理論的説明は今なお物理学の探求の最前線にある話題であり､しかもﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ元素合成や宇宙背景放射､大規模構造､Ia型超新星といった独立した観測から示唆されているものである｡これらの特徴が持つ重力的効果は観測的にも理論的にも理解されているが､素粒子物理学の標準模型にはまだうまく組み込まれていない｡ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論のいくつかの面は基礎物理学によって十分には説明されていないが､ほとんど全ての天文学者や物理学者はﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論と観測結果がよく合致していることによって､この理論の基本部分は全てしっかりと確立していることを受け入れている｡