ダークエネルギー:宇宙最大の謎|科学

1日2回、週7日、2月から11月まで過去4年間、2人の研究者は、フリース、フランネル、ダブルグローブ、ダブルソックス、パッド入りのオーバーオール、ふくらんでいる赤いパルカで、彼らは双子のミシュランの男性のように見えるまで自分自身をミイラ化しています。その後、彼らは外に出て、科学ステーション（フーズボール、フィットネスセンター、24時間営業のカフェテリア）の暖かさと現代的な便利さを、カンザスよりも平坦で、地球上で最も寒い場所の一つである華氏マイナス100度の特徴のない風景のために取引します。彼らは暗闇の中でほぼマイル、雪と氷の高原を横切って、彼らが識別するまで、任意の手でポケットの裏庭の観察者が今まで見てきたよりも多くの星を背景に、南極望遠鏡の巨大なディスクのシルエット、彼らはおそらく宇宙で最大の謎を解決するためのグローバルな努力に参加します: それのほとんどは何から成っています。何千年もの間、私たちの種は夜空を研究し、他に何かがそこにあるかどうか疑問に思ってきました。

昨年、私たちはガリレオの400周年を迎えました’S answer:はい。ガリレオは天に新しい楽器、望遠鏡を訓練し、他の人が今まで見たことのない物体を見ました：何百もの星、月の山、木星の衛星。それ以来、私たちは他の星の周りに400以上の惑星、私たちの銀河の100億の星、私たち自身を超えた数千億の銀河、ビッグバンのエコーであるかすかな放射

今、科学者たちは、この贅沢な宇宙の国勢調査でさえ、ガリレオが古代人から継承した五惑星の宇宙と同じくらい古くなっているかもしれないと思天文学者たちは、私たちがいつも実際の宇宙と考えてきたこと、つまり私、あなた、この雑誌、惑星、星、銀河、宇宙のすべての問題が、実際にそこにあるものの4％に過ぎないという証拠をまとめました。彼らが呼ぶ残りの部分は、より良い言葉のために、暗い：23パーセントは、彼らがダークマターと呼ぶものであり、73パーセントは、彼らがダークエネルギーと呼ぶさら

“私たちは宇宙の完全なインベントリを持っている、”ショーン*キャロル、カリフォルニア工科大学の宇宙学者は、言った、”それは意味がありません。”

科学者たちは、ダークマターが何であるかについていくつかのアイデアを持っています—エキゾチックでまだ仮説的な粒子—しかし、彼らはダークエネ 2003年、国立研究評議会は”ダークエネルギーの性質は何ですか？”今後数十年の中で最も差し迫った科学的問題の一つとして。報告書を書いた委員会の責任者であるシカゴ大学の宇宙学者マイケル・S・ターナーは、さらに進み、ダークエネルギーを「科学のすべてにおいて最も深遠な謎。”

それを解決するための努力は、パドヴァの秋の夜に発足したガリレオ革命に匹敵し、おそらく上回るために物理学と宇宙論の再考に天文学者の世代を動員しています。彼らは深い皮肉との折り合いをつけている：それはほぼ全宇宙に私たちを盲目にしている視力そのものです。そして、この失明の認識は、順番に、初めてかのように、私たちに尋ねるように促しました：私たちが家と呼ぶこの宇宙は何ですか？科学者たちは、1970年代に、宇宙には目に見える以上のものがあるというコンセンサスに達しました。私たちの銀河、天の川のコンピュータシミュレーションでは、理論家は中心が保持されないことを発見しました—私たちがそれを見ることができるものに基それが回転すると、それは崩壊し、あらゆる方向に星とガスを放出するはずです。天の川のような渦巻銀河は重力の法則に違反するか、そこから発せられる光—ガスの広大な輝く雲と無数の星から—銀河の質量の不正確な指標です。しかし、銀河の質量の一部が光を放射しなかった場合はどうなりますか？

渦巻銀河がそのような謎の質量を十分に含んでいれば、彼らは重力の法則に従っているかもしれません。天文学者たちは、目に見えない質量を「暗黒物質」と呼んでいます。”

“すべての物質が放射されていることは誰も教えてくれませんでした”と、銀河の回転の観測が暗黒物質の証拠を提供した天文学者Vera Rubinは言いました。 “私たちはちょうどそれがしたと仮定しました。”

ダークマターを理解するための努力は、次の二十年のための天文学の多くを定義しました。天文学者は暗黒物質が何であるかを知らないかもしれませんが、その存在を推測することで、彼らは新しい方法で永遠の質問を追求することがで: 宇宙の運命は何ですか？彼らはすでに宇宙が拡大していることを知っていました。

1929年、天文学者エドウィン-ハッブルは、遠くの銀河が私たちから離れて移動していることを発見し、遠く離れているほど、より速く後退しているように見えました。これは急進的なアイデアでした。

宇宙がかつて現れた風格のある永遠に変わらない静物の代わりに、それは映画のように実際には時間の中で生きていました。膨張のフィルムを巻き戻すと、宇宙は最終的に無限の密度とエネルギーの状態に達するでしょう—天文学者はビッグバンと呼んでいます。しかし、あなたは早送りをヒットした場合はどうなりますか？物語はどのように終わるのでしょうか？宇宙は物質でいっぱいであり、物質は重力によって他の物質を引き付ける。

宇宙は物質でいっぱいです。

宇宙は物質でいっぱいです。天文学者は、すべての問題の間の相互の魅力は、宇宙の拡大を遅くする必要があると推論しました。しかし、彼らは究極の結果が何であるかを知りませんでした。重力効果は、宇宙が最終的に一定の距離を伸ばし、停止し、空中に投げ込まれたボールのように、それ自体を逆転させるほど強力であろうか？それとも、宇宙がその把握から逃れて、地球の大気圏を去るロケットのように、拡大するのを決して止めないほど、わずかなのでしょうか? それとも、私たちは絶妙にバランスのとれた宇宙に住んでいましたか？

暗黒物質の存在と重力の法則が普遍的であると仮定して、ローレンス—バークレー国立研究所のソール—パールマッター率いる宇宙物理学者の二つのチーム、オーストラリア国立大学のブライアン-シュミット率いる宇宙物理学者の二つのチームが宇宙の未来を決定するために出発した。 1990年代を通じて、ライバルチームは、宇宙の成長を測定するために、それらの異常に明るく、短命の遠方の物体を使用して、爆発する星、または超新星の数を密接に分析しました。彼らは、膨張の速度が均一であれば、超新星が宇宙のさまざまな点でどのくらい明るいかを知っていました。超新星が実際にどのくらい明るく現れたかを比較することによって、天文学者は宇宙の膨張がどれだけ減速しているかを判断できると考えました。しかし、天文学者の驚いたことに、彼らが宇宙の途中、6〜70億光年離れたところを見たとき、彼らは超新星が予想よりも明るくないことを発見しました-したがって、より近くにありました。彼らは調光器だった—それは、より遠いです。両チームは、宇宙の拡大が減速していないと結論付けました。それはスピードアップしています。それは、宇宙の進化における支配的な力が重力ではないことを意味していました。

その発見の含意は重大でした。

その発見の含意は重それはそうです。..何か他のもの。両チームは1998年に調査結果を発表した。ターナーは”何か”というニックネームを与えた：ダークエネルギー。それは立ち往生しました。それ以来、天文学者はダークエネルギーの謎を文字通り地球の端まで追求してきました。

“南極は地球上で最も厳しい環境を持っていますが、最も良性です”と、私が訪問したときに南極望遠鏡（SPT）のオンサイト主任研究員であったカリフォルニ

彼は天気に言及していませんでしたが、クリスマスと元旦の間の週—南半球の初夏—太陽は時計の周りに輝いていましたが、気温はわずかにマイナス一桁で（一日はゼロになっていました）、風はほとんど穏やかでした。ホルザプフェルは、国立科学財団のアムンセン-スコット南極駅（はい、ポールでマークされているポール自体の伝統的なサイトから雪玉のスロー）からジーンズとランニングシューズを身に着けて望遠鏡に歩いた。ある日の午後、望遠鏡の実験室の建物はとても暖かくなり、乗組員はドアを開けました。しかし、天文学者の視点から見ると、太陽が降りて下がるまで—3月から9月まで—南極は”良性”になりますか？

しかし、天文学者の視点から見ると、太陽が下”それは中断されないデータの半年です、”Holzapfel氏は述べています。オーストリアの秋と冬の24時間の暗闇の間、望遠鏡は天文学のための完璧な条件の下でノンストップで動作します。大気は薄いです（極は海抜9,300フィート以上で、そのうち9,000は氷です）。大気はまた、昇る太陽と沈む太陽の加熱と冷却効果がないために安定しています;極は地球上で最も穏やかな風のいくつかを持っており、それらはほとおそらく、望遠鏡にとって最も重要なのは、空気が非常に乾燥していることです。（荒れた手は癒すのに数週間かかることがあり、汗は実際には衛生上の問題ではないので、水を節約するために週に2回のシャワーへの制限はあまり問あるポールのベテランが私に言ったように、”クライストチャーチで税関を通って戻った瞬間、それはあなたがシャワーを必要とするときです。”）SPTはマイクロ波、水蒸気に特に敏感である電磁スペクトルの部分を検出する。湿気の多い空気はマイクロ波を吸収し、それらが望遠鏡に到達するのを防ぐことができ、水分はそれ自身の放射線を放出し、それは宇宙信号と誤読

これらの問題を最小限に抑えるために、マイクロ波とサブミリ波を分析する天文学者は、南極を第二の故郷にしました。彼らの機器は、光やその他の電磁放射源が最小限に抑えられている暗いセクター、建物のタイトなクラスターに存在します。（近くには、地震学研究のための静かなセクター、気候プロジェクトのためのクリーンエアセクターがあります。天文学者は、より原始的な観測条件のためには、宇宙空間に行かなければならないと言いたい—指数関数的に高価な命題であり、科学が地球上で簡単に（ダークエネルギー衛星は、1999年以来、描画ボードをオンとオフにされており、昨年は”正方形の一つに戻って”行ったNASAの顧問によると。）少なくとも地球上では、何かが楽器に問題が発生した場合、あなたはそれを修正するためにスペースシャトルを指揮する必要はありません。

米国は1956年以来、極で一年中の存在を維持しており、今では国立科学財団の米国南極プログラムは、よく、科学にそこに生命を得ています。 2008年までは、駅は雪の上に王冠がまだ見える測地線ドームに収容されていました。新しい基地局は、リモートの前哨基地よりも小さなクルーズ船に似ており、すべてのプライベート四半期に、150以上の眠ります。二つの床を並べる舷窓を通して、あなたは任意の海のように催眠的に水平として地平線を熟考することができます。新しい駅は、雪が蓄積するにつれて、それが二つの完全な物語をジャッキアップすることができ、リフトにかかっています。

この超乾燥地域の降雪は最小限かもしれませんが、大陸の端から吹くものはまだ混乱し、SPTの冬の乗組員にとってより日常的な仕事の一つを作駅の人口が約50に縮小する暗い月の間に週に一度、二人のオンサイトSPT研究者は、望遠鏡の33フィート幅の電子レンジ皿に登ると、それをきれいに掃望遠鏡はデータを収集し、遠くの研究者のデスクトップに送信します。二人の”冬オーバー”は、彼らが家に帰っていたかのようにそれを分析し、あまりにも、データに取り組んで彼らの日を過ごします。しかし、望遠鏡が不具合にぶつかり、ラップトップのアラームが鳴ったとき、彼らは問題が何であるかを把握しなければなりません—速いです。

“ダウンタイムの時間は、失われた観察時間の数千ドルである、”キースVanderlinde、2008年の二つの冬オーバーの一つは述べています。「いつもささいなことがある。ファンはそこにとても乾燥しているので、すべての潤滑が消えて壊れます。そして、コンピュータが過熱し、自分自身をオフにし、突然、我々はダウンしていると、我々は理由がわかりません。「その時点で、環境は結局のところそれほど「良性」ではないように見えるかもしれません。 3月から10月まで南極への便はありません（飛行機のエンジンオイルはゼラチン化します）ので、冬のオーバーが壊れているものを修正できない場合、それは天文学者が宇宙全体を再想像する前に、まず暗い部分をどのように知覚するかを把握する必要があります。

ほとんどの科学よりも、天文学は視力に依存します。

天文学者は宇宙全体を再想像する前に、暗い部分をどのように知覚するかを把握する必要があります。暗黒物質が何であるかを知ることは、科学者が宇宙の構造がどのように形成されているかを考えるのに役立ちます。ダークエネルギーが何をするのかを知ることは、科学者がその構造が時間の経過とともにどのように進化したか、そしてそれがどのように進化し続

科学者たちは、ダークマターの組成のための候補者のカップルを持っている—ニュートラリノとaxionsと呼ばれる仮想的な粒子。しかし、ダークエネルギーにとっての課題は、それが何であるかではなく、それがどのようなものであるかを理解することです。特に、天文学者は、ダークエネルギーが空間と時間にわたって変化するかどうか、またはそれが一定であるかどうかを知りたいと考えています。それを研究する一つの方法は、いわゆるバリオン音響振動を測定することである。宇宙がまだ初期段階にあったとき、わずか379,000歳で、バリオン（陽子と中性子から作られた粒子）が光子（光のパケット）から分離するのに十分に冷却されまこの分離は、今日でも検出できる宇宙マイクロ波背景と呼ばれる刻印を残しました。それは幼児宇宙を通ってcoursed音波（”音響振動”）を含んでいます。これらの振動のピークは、宇宙の残りの部分よりもわずかに密度の高い領域を表しています。そして、物質は重力によって物質を引き付けるので、宇宙が老化するにつれてそれらの領域はさらに密度が高くなり、最初に銀河に合体し、次に銀河団に合体しました。天文学者は、元の宇宙マイクロ波背景振動を宇宙の歴史のさまざまな段階での銀河の分布と比較すると、宇宙の膨張率を測定することができます。

ダークエネルギーを定義する別のアプローチには、重力レンズと呼ばれる方法が含まれます。アルバート・アインシュタインの一般相対性理論によれば、宇宙を通過する光線は物質の引力のために曲がっているように見える。（実際には、それは曲がるスペース自体であり、光はちょうど乗るために一緒に行きます。）二つの銀河団が単一の視線に沿って横たわっている場合、前景の銀河団は、背景の銀河団から来る光を歪めるレンズとして機能します。この歪みは、天文学者に前景のクラスターの質量を伝えることができます。宇宙のさまざまな部分にある何百万もの銀河をサンプリングすることによって、天文学者は銀河が時間の経過とともにクラスタに凝集した速度を推定することができるはずであり、その速度は、順番に宇宙がその歴史のさまざまな点でどれだけ速く拡大したかを教えてくれます。

南極望遠鏡は、宇宙マイクロ波の背景を描く二人のソ連の物理学者にちなんで命名されたSunyaev-Zel’dovich効果と呼ばれる第三の技術を使用しています。後者からの光子がクラスタ内の熱いガスと相互作用する場合、エネルギーのわずかな増加を経験する。このエネルギーを検出することで、天文学者はこれらのクラスターをマッピングし、宇宙の歴史を通して暗黒エネルギーが成長に及ぼす影響を測定することができます。それは、少なくとも、希望です。 “コミュニティの多くの人々は、私が健全な懐疑主義だと思うものを開発しました。彼らは言う、”それは素晴らしいことだが、私たちにお金を示し、”Holzapfel氏は述べています。 “そして、私は一年か二年以内に、私たちはそれを行うことができる立場になると思います。”

SPTチームは、銀河団が宇宙で最大の構造であり、多くの場合、何百もの銀河からなるので、銀河団に焦点を当てています—彼らは太陽の百万億倍の質量です。暗黒エネルギーが宇宙を拡大させるにつれて、銀河団は成長するのが難しくなります。彼らはお互いからより遠くになり、宇宙はより寒くて孤独になります。

銀河団は、”構造形成の点では炭鉱のカナリアのようなものです”とHolzapfel氏は言います。ダークマターの密度やダークエネルギーの性質が変化した場合、クラスターの豊富さは”最初に変更されることになります。「南極望遠鏡は、時間の経過とともに銀河団を追跡することができるはずです。 “あなたは言うことができます,”非常に多くの億年前に,どのように多くのクラスターがありました,そして、どのように多くの今があります?”ホルザップフェル氏は述べています。 “そして、あなたの予測にそれらを比較します。”

しかし、これらの方法はすべて警告が付属しています。彼らは、ダークエネルギーに反対する力だけでなく、過去4世紀の物理学の基礎となってきた重力を十分に理解していると仮定しています。

二十回、ニューメキシコ州のサクラメント山脈の高いレーザーは、239,000マイル離れた月に光のパルスを目指しています。ビームのターゲットは、アポロの宇宙飛行士が40年前に月面に植えた3つのスーツケースサイズの反射器の1つです。ビームからの光子は鏡から跳ね返り、ニューメキシコ州に戻ります。総往復移動時間：2.5秒、多かれ少なかれ。

それは「多かれ少なかれ」すべての違いになります。

Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation(APOLLO)の研究者は、光速の旅のタイミングを合わせることによって、地球-月の距離を瞬間から瞬間まで測定し、月の軌道を絶妙な精度でマッガリレオがピサの斜塔からボールを落として自由落下の普遍性を試すという外典の物語のように、アポロは地球と月を太陽の重力場に落ちる2つのボールのように扱っている。ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所の天体物理学者であるMario Livioは、それを「絶対に信じられない実験」と呼んでいます。”月の軌道がアインシュタインの予測からわずかな偏差を示しても、科学者は彼の方程式を再考しなければならないかもしれません—そしておそらくは暗黒物質と暗黒エネルギーの存在さえも。

“これまでのところ、アインシュタインは保持している、”彼女の五年間のプロジェクトは途中でポイントを通過するように、アポロの主要なオブザーバー、天文学者ラセットマクミランの一人は述べています。アインシュタインが保持していなかったとしても、研究者はまず、一般相対性理論が是正を必要とすることを認める前に、地球、月または太陽の質量の測たとえそうであっても、天文学者は彼らが彼ら自身の危険で当然の重力を取ることを知っています。彼らは、銀河への重力効果によるダークマターの存在と、宇宙の膨張に対する反重力効果によるダークエネルギーの存在を推測しています。これらの双子の推論の根底にある仮定、すなわち重力がどのように働くかを知っているという仮定が間違っているとしたらどうでしょうか？宇宙の理論は、暗黒物質と暗黒エネルギーを仮定するものよりもさらに風変わりなことが証拠を説明することができますか？調べるために、科学者たちは宇宙全体だけでなく、卓上全体で重力をテストしています。最近まで、物理学者は非常に近い範囲で重力を測定していませんでした。

「驚くべきことですね。”エリックAdelberger、ワシントン大学、シアトルの研究室で行われているいくつかの重力実験のコーディネーターは述べています。 “しかし、あなたがそれをしようとした場合、それは驚くべきことではないだろう”—あなたはミリメートルよりも短い距離で重力をテストしようとした場重力をテストすることは、単に2つの物体を互いに近くに置き、それらの間の引力を測定することではありません。他のあらゆる種類のものが重力の影響を及ぼしている可能性があります。

“ここには金属があります”とAdelbergerは近くの楽器を指して言います。 “ここに丘の中腹があります”—実験室を囲むコンクリートの壁を過ぎていくつかのポイントに向かって手を振っています。「あそこに湖がある。「土壌には地下水位もあり、雨が降るたびに変化します。そして、地球の自転、太陽の位置、私たちの銀河の中心にある暗黒物質があります。

過去十年間、シアトルのチームは、アインシュタインの重力方程式が最短距離で真実であることを確認するために、56ミクロン（または1/500インチ）まで、二つの物体間の重力引力を測定してきた。これまでのところ、彼らはそうです。しかし、アインシュタインでさえ、彼の一般相対性理論は宇宙を完全に説明していないことを認識していました。

しかし、アインシュタイン量子力学—彼は非常に小さいの物理学と非常に大きなの彼の物理学を調整しようとしている彼の人生の最後の30年を過ごしました。彼は失敗した。

理論家たちは、一般相対性理論と量子力学を調和させるために、あらゆる種類の可能性を考え出しました：平行宇宙、衝突宇宙、泡宇宙、余分な次元を持つ宇宙、永遠に再現する宇宙、ビッグバンからビッグクランチへと跳ね返る宇宙。

アダム-リース、ダークエネルギーの発見にブライアン-シュミットと協力した天文学者は、彼がインターネットサイトで毎日見ていると言います（xxx.lanl.gov/archive/astro-ph）科学者は、新しいアイデアがそこにあるかを確認するために彼らの分析を投稿します。 “彼らのほとんどはかなりkookyです”と彼は言います。 “しかし、それは誰かが深い理論で出てくる可能性があります。”

そのすべての進歩のために、天文学は間違った、合理的であれば、仮定の下で働いていることが判明しました。天文学者は宇宙は私たちのものではないという考えに適応しなければなりません—物事の壮大な計画では、私たちの種、私たちの惑星、私たちの銀河系、そして私たちが今まで見たことのあるものはすべて、アリゾナ州立大学の理論物理学者ローレンス-クラウスが言ったように、”少し汚染されています。”

しかし、宇宙学者は落胆しない傾向があります。 “本当に難しい問題は素晴らしいです”とMichael Turner氏は言います。”アンドレアスアルブレヒト、デイビスのカリフォルニア大学の宇宙学者は、ダークエネルギーに関する最近の会議で言ったように: “あなたが私の前に科学の歴史のタイムラインを入れて、私は任意の時間とフィールドを選択することができれば、これは私がなりたい場所です。”

リチャード-パネクは2005年にスミソニアンのアインシュタインについて書いた。ダークマターとダークエネルギーに関する彼の本は、2011年に表示されます。