何千年もの間、人間は星を見て、宇宙がどのようになるのか疑問に思ってきました。しかし、これらの大きな問題を正確な研究分野である宇宙論に変換するための最初の観測機器と理論的ツールを研究者が開発したのは、第一次世界大戦の時まででした。
「宇宙論は、人間にとって最も古い主題の1つであるが、最新の科学の1つであると考える」と、時間の始まりがあるかどうかを研究しているプリンストン大学の宇宙論者、ポールスタインハートは言った。
宇宙論は、簡単に言えば、宇宙、それを埋める星、ブラックホール、銀河を個別に分析するのではなく、1つのエンティティとして宇宙を研究します。このフィールドは大きな質問をします：宇宙はどこから来たのですか？なぜ星、銀河、銀河団があるのですか？次に何が起こりますか？ 「宇宙論は宇宙の性質を非常に大規模に描写しようとしている」とニューヨーク大学の素粒子物理学者であるGlennys Farrarは言った。
この分野は、真空中の粒子から空間と時間の構造に至るまで、多くの現象に取り組んでいるため、宇宙論は天文学、天体物理学、さらには素粒子物理学を含む多くの分野に大きく依存しています。
「宇宙論は完全に物理学にある部分、完全に天体物理学にある部分、そして行き来する部分を持っている」とスタインハートは言った。 「それは興奮の一部です。」
宇宙の歴史の歴史
フィールドの学際的な性質は、比較的遅い開始を説明するのに役立ちます。私たちの現代の宇宙像は、1920年代になってはじめて生まれました。アルバートアインシュタインが一般相対性理論の理論、つまり空間と時間の屈曲の結果として重力を記述する数学的枠組みを発展させた直後です。
「重力の性質を理解する前に、物事がどうあるべきかについての理論を実際に作ることはできない」とスタインハートは言った。他の力は粒子により大きな影響を与えますが、重力は惑星、星、銀河の分野での主要なプレーヤーです。アイザックニュートンの重力の説明は、多くの場合、その領域でも機能しますが、空間（および時間）を、イベントを測定するための厳密で変化しない背景として扱います。アインシュタインの作品は、宇宙自体が膨張および収縮し、宇宙を舞台から俳優に移し、研究するための動的なオブジェクトとして宇宙に繰り出すことができることを示しました。
1920年代半ば、天文学者エドウィンハッブルは、カリフォルニアのウィルソン山天文台に最近建てられた100インチ（254センチメートル）のフッカー望遠鏡から観測を行いました。彼は天文学者が見ることができる宇宙の特定の雲の場所についての議論を解決しようとしていました。ハッブルは、これらの「星雲」が小さな局所的な雲ではなく、代わりに私たち自身の天の川に似た広大な遠い星団であったことを証明しました-当時の用語では「島の宇宙」。今日、私たちはそれらを銀河と呼び、それらが数兆に数えられることを知っています。
宇宙の展望における最大の大変動はまだ来ていません。 1920年代後半のハッブルの研究は、あらゆる方向の銀河が私たちから遠ざかっていることを示唆しており、数十年にわたるさらなる議論の引き金となっています。宇宙のマイクロ波背景（CMB）の最終的な測定-宇宙の初期から残った光であり、マイクロ波に引き伸ばされて以来-1960年代に、現実は一般相対性理論によって提案された可能性の1つと一致したことが証明されました。それ以来、どんどん寒くなってきています。この概念はビッグバン理論として知られるようになり、宇宙でさえ始まりと終わりがある可能性があることを暗示していたため、宇宙論者を激怒させました。
しかし、少なくともそれらの天文学者は望遠鏡で銀河の動きを見ることができました。ファラル氏によると、宇宙論の最も大きな地震の変化の1つは、そこにあるものの大部分が別の何か、完全に見えない何かでできているという考えです。私たちが見ることができる物質は、宇宙の丸め誤差に過ぎません-宇宙のすべてのものの約5％だけです。
宇宙の他の95％の最初の住人、「ダークセクター」と呼ばれるようになったものは、1970年代にその頭を育てました。当時、天文学者のベラルービンは、銀河は非常に高速で回転しているため、自分たちで離れて回転する必要があることに気付きました。ファラー氏によれば、見えにくい問題以上に、銀河をまとめるものは物理学者にはまったく知られていないものでなければならず、重力を除いて通常の問題と光を完全に無視するものでなければならなかった。その後のマッピングにより、私たちが目にする銀河は、巨大な「暗黒物質」球の中心にある単なる核であることが明らかになりました。宇宙全体に広がる目に見える物質のフィラメントは、目に見える粒子を5対1で上回る暗いフレームにぶら下がっています。
その後、ハッブル宇宙望遠鏡は、予想外の多様なエネルギーの兆候を明らかにしました。宇宙科学者は、1990年代に暗黒物質（25％）と可視物質（5％）を説明した後、宇宙の残りの70％を説明していると言います暴走列車のようにスピードアップするように宇宙の拡大を刻みました。 「ダークエネルギー」は、宇宙自体に固有のタイプのエネルギーである可能性があり、重力が宇宙を引き寄せるよりも速く宇宙を押し広げています。 1兆年の間に、天の川に残された天文学者は、闇に包まれた真の島の宇宙に身を置きます。
「私たちは、宇宙の歴史の中で、物質が支配している場所から、新しい形のエネルギーが支配している場所への移行点にいます」とスタインハートは語った。 「暗黒物質が私たちの過去を決定しました。暗黒エネルギーが私たちの未来を決定します。」
現代と未来の宇宙論
現在の宇宙論は、これらの画期的な発見をその最高の成果であるLambda-CDMモデルにパッケージ化しています。宇宙論の標準モデルと呼ばれることもあるこの方程式のバンドルは、宇宙を最初の1秒程度から説明します。モデルは、一定の量の暗黒エネルギー（ラムダ、一般相対性理論での表現のため）および冷たい暗黒物質（CDM）を想定し、可視物質の量、宇宙の形状およびその他の特性について同様の推測を行います。これらはすべて実験によって決定されます。と観察。
ベビーユニバースの映画を138億年前に再生すると、宇宙学者は「統計的に、ある時点まで測定できるすべてのものを持っている」というスナップショットを取得します。このモデルは、宇宙論者が宇宙の記述を過去と未来に深く押し込むときに打つ目標を表しています。
Lambda-CDMが成功したのと同じように、それはまだ解決する必要がある多くのねじれがあります。宇宙論者は、宇宙の現在の膨張を研究しようとすると、近くの銀河で直接測定するか、CMBから推定するかに応じて、矛盾する結果を得ます。このモデルは暗黒物質やエネルギーの構成についても何も述べていません。
次に、その厄介な最初の1秒が存在します。宇宙は、おそらく微小な斑点から相対論的に適切に動作するバブルに移行したと考えられます。 「インフレ」は、この期間を処理しようとする人気の理論であり、より迅速な拡大の短い瞬間が、今日の銀河の大規模な不均一性に微小な原始変動を吹き込んだ方法、およびLambda-CDM入力がどのように値を取得したかを説明しています。
しかし、インフレがどのように詳細に機能したか、あるいはなぜインフレがおそらく機能したところで停止したのかは誰にもわかりません。スタインハルトは、インフレは宇宙の多くの領域で続いているはずであり、私たちの宇宙はあらゆる可能な物理的現実を含む「多元宇宙」のほんの一部にすぎないことを意味すると述べました。
このような問題を解決するために、宇宙学者はハッブル宇宙望遠鏡や今後のジェームズウェッブ宇宙望遠鏡などの宇宙ベースの望遠鏡や、国立科学財団などの重力波天文学の新たな分野での実験による精密測定に注目していますレーザー干渉計重力波天文台。宇宙学者はまた、暗黒物質の粒子を検出するために学際的な競争に素粒子物理学者と天体物理学者を参加させます。
宇宙論は、物理学の他のブランチが成熟するまで開始できなかったのと同じように、他の領域がより完全になるまで宇宙の歴史を明らかにし終えることはできません。 "ストーリーをまっすぐにするには、基本的にすべてを解決する必要がありますすべてのエネルギースケールとすべての条件での物理法則」と語った。 「そして、それらのうちのどれか1つの変化は、宇宙論の物語を根本的に変える可能性があります。」
ファラー氏は、それが起こるかどうかはわからないが、人々が宇宙の複雑さを彼らが持っているのと同じくらい把握していることに驚嘆していると語った。 「人間の脳が進化して、これらの質問に明らかに答えられるようになったのは驚くべきことだ」と彼女は言った。 「少なくともいくつかは。」
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