A Universal Bilinear Model for the Dependence of Void Asymmetry Distributions on $\Omega_{m}$ and $\sigma_{8}$

宇宙を、滑らかで空虚なスープとしてではなく、巨大な宇宙のクモの巣として想像してみてください。天文学者はこれを「宇宙網（コスミック・ウェブ）」と呼んでいます。この網の中で、銀河はランダムに散らばっているわけではありません。それらは密な結び目に集まり、長く細いフィラメント状に伸び、そして広大なシート状に広がっています。しかし、最も興味深い部分は、この網にある「穴」です。それが「ボイド（空洞）」です。これらは、銀河がほとんど存在しない、巨大でほぼ空っぽの泡のような場所です。これらの空虚な空間は退屈なものだと思われるかもしれませんが、実は宇宙で最も純粋な実験室なのです。非常に空虚であるため、混雑した銀河団で起こるような乱暴で激しい衝突によって、かき乱されることがないからです。これらは、宇宙がどのように始まったかという秘密の歴史を保持しています。

科学者たちが解決しようとしている大きな謎は、宇宙が何でできており、どのように成長しているかということです。最も重要な成分となるのは、通常の物質の量（$\Omega_m$ と呼ばれる）と、宇宙が最初にどれほど「塊（かたまり）状であったか」（$\sigma_8$ と呼ばれる）の2つです。$\Omega_m$ を宇宙網の総重量、$\sigma_8$ を始まりの時に宇宙がどれほどクシャクシャに丸まっていたかと考えてみてください。問題は、これら2つの数値が絡まったヘッドホンのイヤホンのように、一方を測定しようとすると、もう一方が結果にどれほど影響を与えているのか判別するのが難しいことです。科学者たちは、これらを解きほぐす新しい方法を必要としており、その答えは、あの巨大な空っぽの泡の中で銀河がどのように回転しているかに隠されていると考えています。

空っぽの泡の宇宙的ダンス

この論文の中で、天文学者の Geonwoo Kang と Jounghun Lee は、宇宙のボイドの中で銀河がどのように踊っているかを観察することで、宇宙の成分の重さを量る巧妙な新しい方法を提案しています。彼らは、ボイドは空っぽであるにもかかわらず、そこに住むわずかな銀河がただ静止しているわけではないことを発見しました。むしろ、魚の群れが一斉に方向を変えたり、グループが中心の柱の周りを回転したりするように、彼らは協調した回転運動を行っているのです。

著者たちは、もし地球からこの回転が見えたとしたら、銀河の速度について奇妙なことに気づくだろうと気づきました。回転するボイドを想像してみてください。回転軸の片側では、銀河がこちらに向かって動いているため、わずかに青く、速く見えます。反対側では、銀河がこちらから遠ざかっているため、赤く、遅く見えます。この速度の差が「赤方偏移の非対称性（redshift asymmetry）」を生み出し、それはボイドが回転しているという決定的な兆候となります。

課題は、すべての方向におけるすべての銀河の正確な速度を測定できないため、これらの泡の3次元的な回転を簡単に見ることはできないという点です。そこで、著者たちはトリックを編み出しました。彼らはボイドをピザのように扱い、あらゆる方向にスライスしようと試みたのです。彼らは、2つの半分（ハーフ）の間で速度の差が最大になる特定の「スライス（または二等分線）」を探しました。その完璧なスライスは、ボイドの回転軸を正確に指し示します。この最大速度差を測定することで、すべての銀河の完全な3次元運動を知ることなく、ボイドがどれくらいの速さで回転しているかを算出できるのです。

普遍的な公式

このアイデアをテストするために、チームは単一の宇宙を見たのではありません。33種類の異なるタイプの宇宙のコンピュータ・シミュレーションを数千回実行しました。標準的な量のダークエネルギーを持つ宇宙もあれば、変化する量のダークエネルギーを持つもの、そして異なる量の物質を持つものもありました。彼らはこれらのシミュレートされた宇宙の中に数十億のダークマター粒子を詰め込み、それらが銀河やボイドへと進化していく様子を見守りました。

彼らが発見したことは、驚くほど単純で美しいものでした。どのような種類の宇宙をシミュレートしたとしても、これらの「回転速度」（または赤方偏移の非対称性）の分布は、「一般化ガンマモデル（generalized Gamma model）」と呼ばれる特定の数学的パターンに従うのです。それは、気温や湿度に関わらず、あらゆる種類の雪の結晶が同じ基本的な幾何学的ルールに従っていることを見つけるようなものです。

さらに重要なことに、このパターンには2つの主要な設定、すなわち「形状（shape）」の設定と「スケール（scale）」の設定があることを発見しました。

• 形状の設定は頑固でした。それは、物質の量（$\Omega_m$）や塊状度（$\sigma_8$）がどれほどであっても、全く同じままでした。また、シミュレーションで使用されたダークエネルギーの種類（$w$）からも完全に影響を受けませんでした。
• 一方で、スケールの設定はカメレオンのようでした。それは、物質の量と塊状度に応じて、完璧な直線を描いて変化しました。物質を増やせばスケールは上がり、塊状度を増やせばスケールも上がりました。

これにより、著者たちは「普遍的な双線形モデル（universal bilinear model）」を作り上げました。これは、いわば「マスター・レシピ」のようなものです。著者たちは、もし宇宙の物質量と塊状度を知っていれば、それらの数値を彼らの単純な公式に代入することで、ボイドの回転分布がどのようになるかを正確に予測できることを見出しました。そして最高の点は、このレシピが、標準的なダークエネルギーを持つ宇宙であれ、奇妙で変化するダークエネルギーを持つ宇宙であれ、彼らがテストしたすべての異なるタイプの宇宙に対して機能するということです。

なぜこれが重要なのか

著者たちは、このレシピを、公式を作るために使用していなかった3つの新しい未知のシミュレーションに対してテストしました。彼らがモデルを適用したところ、それらの新しい宇宙における物質量と塊状度の値を正しく予測し、正解の「ブルズアイ（中心）」に命中させました。これは、もし私たちの宇宙にある実際のボイドの赤方偏移の非対称性を測定できれば、この公式を使って $\Omega_m$ と $\sigma_8$ のもつれを解きほぐせることを示唆しています。

他の手法とは異なり、ダークエネルギーによって混乱してしまうものもありますが、この新しい「ボイド非対称性」法は、ダークエネルギーを完全に無視し、物質量と初期の塊状度だけに焦点を当てているようです。それは、スーツケースの重さを、床の種類ではなく、車輪の軋む音を聞いて判断しようとするようなものです。歩いている床の種類（ダークエネルギー）は音を変えませんが、スーツケースの重さ（物質）は音を変えるのです。

論文は、この手法は有望であり、シミュレーション内では完璧に機能しているものの、実際の望遠鏡のデータでテストされる必要があると結論づけています。しかし、もしこれが実証されれば、天文学者が宇宙網の根本的な成分を理解するための強力な新しいツールとなり、物質がどれだけ存在するのかと、それがどのように始まったのかという間の長年の結びつきを断ち切ることができるかもしれません。